第25卷 第4期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.4
2006年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2006
收稿日期：2005–04–30；修回日期：2005–06–23 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50434050)；国家自然科学基金资助项目(50379052)；中国科学院重大方向性项目(150501) 作者简介：陈卫忠(1968–)，男，博士，1990年毕业于山东矿业学院采矿工程系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail：wzchen@whrsm.ac.cn
废弃盐穴地下储气库稳定性研究 陈卫忠，伍国军，戴永浩，杨春和 (中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)
摘要：国际上公认盐岩体是地下能源(石油、天然气)储存最理想的介质，作为储气库的盐岩溶腔，一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。目前，国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。通过对ABAQUS有限元的二次开发，对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨，这对指导工程实践具有一定的指导意义。 关键词：岩石力学；盐岩；废弃盐穴；储气库；蠕变；套管鞋 中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)04–0848–07
STABILITY ANALYSIS OF ABANDONED SALT CAVERNS USED FOR UNDERGROUND GAS STORAGE
CHEN Weizhong，WU Guojun，DAI Yonghao，YANG Chunhe (Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
Abstract：Salt rock is considered as a perfect medium for underground oil and gas storage. Normally，underground salt caverns for gas storage are formed by aqueous fusion method according to specific design. Presently，there is no underground natural gas storages operation in abandoned salt caverns in the world. Based on numerical results with finite element method(FEM) code ABAQUS，the creep behaviors of caverns and rock pillars and the range of creep damage of the cavern roof are approached. Furthermore，the working pressure for gas storage in abandoned salt caverns and location of casing shoes are discussed. The conclusions drawn from the study can provide useful reference to the practical engineering. Key words：rock mechanics；salt rock；abandoned salt cavern；gas storage；creep；casing shoe
1 引 言 能源是一个国家的经济命脉，一旦能源发生危机，将引起社会动荡，破坏经济的发展。在世界GDP前几位的国家中，中国目前是惟一没有建立国家战略储备和民间商业储备的国家。地下能源储存一般放置在盐岩、非渗透性岩层及多孔隙岩层中。目前世界上已有的地下储气库类型主要包括枯竭油气藏、含水构造地下储气库、盐岩地下储气库、废弃矿井和水密封岩石洞室，而盐岩具有非常低的渗透特性(渗透率＜10－20 m2)与良好的蠕变行为，能够适应储存压力的变化，且其力学性能较为稳定(损伤与损伤自我恢复)能够保证储存硐库的密闭性(J. E. Quintanilha)。因此，国际上公认盐岩体是能源(石油、天然气)储存的最理想的介质。目前全世界各地大约第25卷 第4期 陈卫忠等. 废弃盐穴地下储气库稳定性研究 • 849 • 有五百多座地下储气库，其中有44座是利用含盐岩层[1～5]。 就盐岩地下储库而言，目前都是根据储量和服务年限的要求，通过水溶开采形成一定规模的溶腔群。但在某一地区形成(40～50)×104 m3规模的溶腔
群一般需要5～10 a的周期，而且还需要与之配套的卤水处理化工厂，否则生产的卤水将对环境产生很大的污染。目前，国内外利用盐矿开采形成的废弃溶腔作为调峰储气库鲜见报导。利用废弃盐岩溶腔作为储气库具有建库时间短、成本低等优点，但须对废弃盐穴的长期变形、储库封孔的套管鞋高度等关键技术参数进行评估[6]。
本文应用大型有限元软件ABAQUS卓越的非线性功能，通过对ABAQUS软件的二次开发，将实验室蠕变试验所得的盐岩本构模型和ABAQUS相接，对某废弃溶腔群储库的蠕变变形和工作性态开展数值仿真，本文的研究方法及成果对国内应用废弃溶腔作为储气库时的工作压力及储库压力设计可提供一定借鉴作用。
2 盐岩和含盐泥岩蠕变本构模型 国内外众多学者的实验室试验结果表明：盐岩在偏应力作用下易产生蠕变，且与时间呈高度非线性关系。盐岩的长期蠕变特性比较复杂，一般认为盐岩的蠕变速率与偏应力和温度呈现高阶非线性函数[7～9]。因此，盐岩在三轴压力状态下，一般经历
瞬态蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段。由于盐岩的瞬态蠕变时间很短，因此在储气库的稳定性和长期变形时，主要研究盐岩的稳态蠕变特性。N. L. Carter(1993)[10]和K. S. Chan(1997)[11]提出稳态蠕变
率的统一表达式，即
)()()(313ccrTHDfσσσε−= (1)
式中：)(3cσf为围压影响函数，)(31σσ−D为偏差应力影响函数，)(TH为温度函数。 杨春和等[12]通过对某矿区盐岩及泥岩试样开展常温下的三轴蠕变试验研究，提出了盐岩和含盐泥岩的稳态蠕变率与偏应力和围压密切相关。盐岩的典型蠕变曲线如图1所示，Norton指数函数形式
的蠕变方程为
nijA)(31crσσε−=
(2)
图1 盐岩的三轴蠕变试验曲线 Fig.1 Creep behavior of rock salt under triaxial test
式中：crijε为蠕变应变率；A，n均为盐岩的材料特性参数。
3 废弃盐穴作为储气库的长期稳定性评价
为科学合理地评价废弃溶腔作为储气库的可行性，必须对废弃溶腔已有的蠕变变形进行合理的预测，并对储库储气后的盐岩蠕变变形及废弃溶腔群矿柱的稳定性进行数值模拟。储气库计算和一般洞室群的区别在于：储库无论在溶腔或储气阶段都有内压作用，且在抽放和注气过程中其内压是变化的，而这一过程中的应变速率较大，最易引起破坏。本文通过数值模拟重点研究储库在过去10 a中所发生
的蠕变变形及未来10 a的储气服务期内因工作状态变化而产生的蠕变变形和破坏范围。 3.1 工程概况 我国某盐岩矿区的盐岩开采已具有20～30 a的时间，在当地已形成一定规模的地下溶腔群。该矿区地层平缓，构造简单，盐层分布范围大，达60.5 km2，且分布稳定，厚度大，一般为100 m以上，
盐层的含盐率高，夹层少且厚度较小，直接顶底板均为含钙芒硝含膏泥岩或致密泥岩，抗压强度大，封闭性好，但该矿区水洗形成的溶腔大多数体积太小而无大的利用价值。根据现场的声纳探测结果，溶腔基本呈梨状分布，其中的废弃溶腔群依次按1#，
2#，3#和4#溶腔命名，埋深在900～1 000 m，腔体
体积均为1.5×105 m3左右，符合天然气储存的基本要求，但储库的间距较小，一般在20 m左右。储库区域的溶腔形态及岩层分布如图2所示。 3.2 数值计算模型 根据储库的分布特征和埋深，数值分析模型取距离地表525 m，深900 m的岩体进行分析。根据
岩层分布特征和溶腔形态所建立的有限元计算模型的水平切面和垂直剖面如图3所示。
0.000.020.040.060.080.100102030 40 5060时间/h
蠕变/% • 850 • 岩石力学与工程学报 2006年
1—泥岩层；2—盐岩层；3—泥质夹层 图2 废弃溶腔岩层分布 Fig.2 Rock formations distribution of abandoned salt cavern
(a) 1#，2#溶腔的垂直纵剖面 (b) 3#，4#溶腔的垂直纵剖面 (c) 4个溶腔的水平切面 图3 有限元分析网格 Fig.3 Meshes for finite element analysis
3.3 计算原理和方法 ABAQUS是大型通用有限元计算分析软件之
一，具有较好的非线性分析能力和广泛的模拟性能，有大量不同种类的单元类型、材料本构模型和载荷形式。在本文计算中，盐岩体和含盐泥岩均采用Drucker-Prager模型，盐岩的稳态蠕变应采用式(2)，
并将式(2)建立的盐岩和泥质盐岩的本构模型以FORTRAN语言编写出子程序并和ABAQUS软件
连接。 3.4 初始地应力、岩体基本力学参数和溶腔工作压力 数值分析计算范围内的岩体以泥岩、泥质夹层及盐岩层为主，根据实验室试验结果，本次计算所采用的岩体材料基本力学特性如表1所示。
表1 废弃盐矿岩体基本力学参数 Table 1 Mechanical properties of abandoned rock salt cavern
岩层 弹性模量E/GPa 泊松比µ 黏聚力 c/MPa 摩擦角 ϕ/(°) 抗拉强度 /MPa
泥岩 10 0.27 1.0 35 1.0 盐岩 18 0.30 1.0 30 1.0 泥质夹层4 0.30 0.5 30 0.5
废弃溶腔的埋深在1 000 m左右，计算中假定盐岩初始条件下处于静水压力状态。数值模拟盐矿在初始水溶法开采时，溶腔内壁的工作压力为饱和盐水作用下的静水压力，取值12.0 MPa。在模拟储气阶段时，首先考虑内腔压力在3个月内由12.0 MPa升至14.0 MPa，然后在3个月内降至7.0 MPa，
