盐穴储库岩体结构非平衡时空演化与长期稳定性研究

20211209

电力、热力、燃气及水生产和供应业

盐岩地下储库岩体受到的外界扰动是多方面的，影响其长期稳定性的因素也是多方面的。本项目最终获得一条变形稳定演化曲线，综合考虑了所有外界影响因素作用，来评价结构系统的整体稳定性和演化规律。局部稳定性则需要通过演化的驱动力分布来确定，进而确定是否需要调控（注采气方式选择及其储气库内压控制）。 基于该曲线，可以判断盐岩储库当前状态的稳定趋势。定量判断当前稳定状况（是否失稳、是否需要调控、如何调控），并可以预测下一步的稳定演化规律。根据稳定演化情况，确定调控处理措施的全局优化配置。如果是趋于稳定状态，则不需要调控；如果是趋向于失稳的演化趋势，则需要进行调控。而且通过该曲线，可以确定最优的调控时机。 这些定量评价曲线可以为盐岩储库系统的稳定评价（设计）、预测预警（施工和运行）、突发事件应急处理（地震、爆炸等）等提供科学依据。这是本项目在工程应用方面的一个创新。 本项目针对盐岩蠕变三阶段曲线，基于连续损伤力学的有效应力概念和应变等效假设，将弹–黏弹–黏塑性模型和损伤模型耦合到一起，发展了弹–黏弹–黏塑性损伤模型，由此全过程模拟盐岩的三阶段蠕变。同时将弹–黏弹–黏塑性损伤模型引入到变形加固理论，考虑了时效变形和损伤演化，发展了考虑时空演化的变形加固理论，并给出了有限元数值方法求解过程。在此基础上，对双储库和金坛盐矿油气储库群长期稳定性和破坏时空演化进行了分析。

(1) 根据变形加固理论，在黏塑性理论下，结构的超屈服力是不可恢复时效变形（黏塑性变形）的有效驱动力，而超屈服力的反力就是阻止结构变形所需的加固力，故确定超屈服力的分布对实施大型岩土工程的准确而有效的稳定控制至关重要。为使稳定设计分析和监测分析有机地结合起来，在超屈服力大小的测量方面需做进一步的研究工作。 (2) 变形加固理论中所引入的黏塑性模型，损伤模型的参数准确性对数值模拟分析的准确性具有重要意义，因此需要在材料实验、参数获取方面做进一步研究工作。本文所用损伤模型为各向同性损伤模型，为了更符合实际情况，在各向异性损伤方面还需做进一步研究工作。 (3) 本文研究得出在现有设计条件下，盐岩储库群发生连锁破坏的可能性不大。该结论需要进一步完善论证，尤其是要和现场测试数据比对。此外，现有的计算方案和实验方案都对实际情况作了一定的简化，需要进一步深化分析，在计算方案和实验方案、计算模型和实验方法等方面提高仿真度。 (4)在设备方面，需要使用三轴刚性压力机、材料蠕变试验机和岩石破坏显微观测系统，以保证材料试验的顺利进行；同时需要多点伺服加载设备及结构模型试验槽，以进行精细结构模型的长期蠕变试验。

可国（境）内外转让

北京市自然科学基金青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

与西方发达国家相比，我国的盐岩地下储库群正处于起步阶段，缺少工程实践经验，并且我国的层状盐岩地质力学条件更加恶劣，盐岩的埋深浅、夹层多而且薄，更重要的是这些能源地下储库大多都处于人口稠密、经济发达地区，土地成本很高。为了尽可能节省征地成本，盐岩储库群在布置上会非常密集，从而更容易导致油气的渗漏、容腔的失效和地表的塌陷等灾难事故。因此，对盐岩密集储库群整体稳定评价及破坏机理进行研究具有非常重要的意义。 目前，我国许多盐穴地下储库已经完工或者接近完工，开始进入运行状态，盐穴储库的长期安全问题将更为突出。而目前还没有完善的长期安全评价理论和体系，无法进行更为精确的、有针对性的长期安全性评价。因此，全面认识盐穴储库地质体的非平衡演化机制，揭示盐穴储库变形稳定的演化规律，建立岩体工程结构系统（由工程结构及赋存的地质环境所组成的复杂系统）非平衡演化和稳定控制理论，对盐穴地下储库的长期安全极为重要。 针对上述问题，本项目通过理论、数值、模型实验等方面的研究工作，取得了相应的研究成果。从岩体非平衡演化的角度出发，建立了岩体工程结构系统非平衡演化及稳定控制理论，揭示了盐岩地质体的变形稳定演化规律，为盐穴地下储库稳定控制提供了科学依据，这对保证盐穴地下储库的长期安全运行，具有重要意义。