熱力耦合下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)腔體蠕變及穩(wěn)定性研究

周 軍，彭井宏*，張 平，梁光川，黃薪宇，胡承強(qiáng)，常 恒

(1. 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司，上海 200122;3.中國(guó)石油西南油氣田公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610500)

地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)具有調(diào)峰效率高、短期吞吐量大、墊底氣含量低且可完全回收等優(yōu)點(diǎn)，在天然氣調(diào)峰方面發(fā)揮著重要作用[1]。地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行年限大約為30 a～50 a，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，鹽巖不可避免地會(huì)發(fā)生蠕變變形，影響整個(gè)地下腔體的穩(wěn)定性。當(dāng)蠕變速率過(guò)大，地下腔體的體積收縮過(guò)大時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)其儲(chǔ)氣功能從而失效[2-3]。地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的注采過(guò)程是地面的天然氣通過(guò)井筒流入溶腔，或逆向進(jìn)行的過(guò)程，見(jiàn)圖1。在地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)連續(xù)循環(huán)注采運(yùn)行過(guò)程中，溶腔內(nèi)氣體不斷被壓縮和膨脹，導(dǎo)致地下腔體內(nèi)氣體壓力和溫度等參數(shù)不斷發(fā)生變化。由于壓力和溫度是影響鹽巖蠕變的重要因素，因此，開(kāi)展熱力耦合下的鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔蠕變及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究具有重要的意義。

圖1 地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)示意圖

目前，針對(duì)地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。大部分的研究都是先測(cè)定目標(biāo)地區(qū)的鹽巖相關(guān)參數(shù)，然后將這些參數(shù)運(yùn)用在數(shù)值模擬中，從而分析儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定性情況[4-6]。尹雪英等人對(duì)金壇鹽礦老腔儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)展了長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬[7]。王軍保研究了不同加載路徑下鹽巖蠕變力學(xué)特性與鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性[8]。陳正進(jìn)行了鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)研究[9]。劉建平等人開(kāi)展了鹽巖水平儲(chǔ)氣庫(kù)的相似模擬建腔和長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析[10]。但以上研究大多注重于壓力對(duì)腔體穩(wěn)定性的影響，往往忽略了溫度也是影響鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性的重要因素[11-13]。因此，有必要進(jìn)一步考慮熱應(yīng)力對(duì)鹽巖蠕變的影響，開(kāi)展熱力耦合下的鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究。

文章將對(duì)地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行不同運(yùn)行壓力和溫度下的數(shù)值模擬計(jì)算。首先分析了地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定以腔體的最大流變位移和腔體的體積收斂率為判定指標(biāo)。然后利用FLAC 3D軟件對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行了構(gòu)建，所構(gòu)建的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)埋深為1 000 m～1 200 m，溶腔形狀呈雞蛋形，鹽巖層中含有兩層泥巖夾層。在此基礎(chǔ)之上，分別對(duì)壓力作用、熱力耦合作用和不同溫度作用下的腔體進(jìn)行了蠕變計(jì)算，分析壓力和溫度對(duì)腔體蠕變變形規(guī)律的影響，得到地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的最佳運(yùn)行壓力和溫度。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的腔體是采取水溶造腔的方式進(jìn)行建造，無(wú)法用傳統(tǒng)方式進(jìn)行支護(hù)，對(duì)于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性的研究就尤為重要。與其它地下巖土工程不同，地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)沒(méi)有統(tǒng)一的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，大多都是利用數(shù)值模擬計(jì)算方法進(jìn)行研究。地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)更加注重鹽巖蠕變特性對(duì)腔體穩(wěn)定性的影響。在數(shù)值模擬軟件計(jì)算時(shí)，常采用腔體圍巖的流變位移量和腔體體積收縮率進(jìn)行腔體穩(wěn)定性的判斷[14]。

腔體圍巖的流變位移是指腔體圍巖由于蠕變變形而偏離原來(lái)位置的量。腔體圍巖的流變位移常常用于衡量巖體流動(dòng)的情況。由于蠕變變形會(huì)引發(fā)腔體的收縮，腔體收縮部分的體積與原有腔體體積的比值稱為腔體體積收縮率。腔體體積收縮率是衡量地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)能否長(zhǎng)久平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的體積收縮率都提出了不同的判別標(biāo)準(zhǔn)。丁國(guó)生等[15]針對(duì)我國(guó)地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)，提出了不同深度下的腔體體積收斂標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 鹽腔體積收斂標(biāo)準(zhǔn)

2 數(shù)值模擬模型

文章數(shù)值模擬計(jì)算采用FLAC 3D有限差分軟件，該軟件能夠模擬三維土體、巖體以及其他材料的力學(xué)特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道工程以和礦山工程等多個(gè)巖土領(lǐng)域。文章所研究的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)埋深為1 000 m～1 200 m，整個(gè)計(jì)算區(qū)域大小為500 m×500 m×700 m，其中鹽巖層的厚度為200 m，泥巖層的總厚度為500 m，平均分布在鹽巖層的兩端。根據(jù)已有研究成果表明[16]，溶腔形狀為雞蛋形時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中的溶腔變形最小，相比于其他形狀的溶腔具有更好的穩(wěn)定性。因此所建立的研究模型采用雞蛋形，即溶腔上半部分為橢球體，下半部分為球體。其中橢球體的長(zhǎng)徑為70 m，短徑為30 m，球體的半徑為30 m。由于我國(guó)鹽巖層大多為含夾層鹽巖，在建立模型時(shí)，設(shè)定鹽巖層中含有兩層厚度為2 m的泥巖夾層。地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的物理模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬模型示意圖

由于所建立的鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)為軸對(duì)稱模型，因此選用整個(gè)計(jì)算模型的一半進(jìn)行后續(xù)的模擬計(jì)算，節(jié)省數(shù)值模擬的時(shí)間。數(shù)值模型使用FLAC 3D的命令流建立，共計(jì)生成24 056個(gè)節(jié)點(diǎn)和21 888個(gè)單元，單元類型均為六面體。研究的主要對(duì)象是地下儲(chǔ)氣庫(kù)腔體和附近圍巖，在腔體附近的網(wǎng)格較密，在模型邊界處的網(wǎng)格較稀疏。地下儲(chǔ)氣庫(kù)的數(shù)值模型三維視圖見(jiàn)圖3。研究的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的埋深有1 000 m～1 200 m，需要將地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)模型上部巖層重量簡(jiǎn)化為等效均布荷載，并垂直施加在整個(gè)計(jì)算區(qū)域的頂部。根據(jù)上方巖體的平均密度以及厚度，計(jì)算得到施加在整個(gè)模型頂部的垂直均布荷載的值為17.8 MPa。根據(jù)所研究的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的相關(guān)資料[17]，選取所建立的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的靜力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)模型及網(wǎng)格劃分圖

表2 鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)靜力學(xué)參數(shù)

在FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型靜力平衡求解過(guò)程中，所選節(jié)點(diǎn)的最大不平衡力和位移情況分別見(jiàn)圖4。從圖4看出，隨著計(jì)算時(shí)間的增加，節(jié)點(diǎn)的位移不斷增加，增加速率減小，最終趨于一個(gè)定值。隨著計(jì)算時(shí)間的增加，模型的最大不平衡力逐漸降為0。這就表明所建立的儲(chǔ)氣庫(kù)計(jì)算模型已經(jīng)達(dá)到了靜力平衡，證明此模型的建立是合理的，能夠?qū)⒂糜谙乱徊降臄?shù)值模擬計(jì)算。參考文獻(xiàn)[18]中的鹽巖地層溫度試驗(yàn)，將地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的地溫梯度設(shè)為0.025 5 ℃/m，地表溫度設(shè)為25 ℃。在得到滿意的地應(yīng)力場(chǎng)后開(kāi)始進(jìn)行初始溫度場(chǎng)的設(shè)置。在計(jì)算模型頂端設(shè)置固定溫度42.85 ℃(316 K)，底端設(shè)置固定溫度為60.7 ℃(333.85 K)，選用熱傳導(dǎo)的溫度模型，求解得到初始的溫度場(chǎng)。計(jì)算平衡后的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)溫度場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖4 數(shù)值模擬模型的靜力平衡：(a)最大不平衡力; (b)節(jié)點(diǎn)位移

圖5 數(shù)值模擬模型的初始地溫場(chǎng)

為了分析溫度對(duì)鹽巖蠕變的影響，文章將設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，將只有壓力作用下的鹽巖蠕變情況與熱力耦合作用下的鹽巖蠕變情況進(jìn)行對(duì)比。只有壓力作用下的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)蠕變本構(gòu)模型采用CPOWER模型，熱力耦合作用下的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)蠕變本構(gòu)模型采用PWIPP模型，其流變參數(shù)分別見(jiàn)表3、表4。

表3 CPOWER模型的流變參數(shù)

表4 PWIPP模型的流變參數(shù)

地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究主要針對(duì)腔體圍巖的蠕變變形進(jìn)行研究。為了探究壓力和溫度對(duì)于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，文章將對(duì)不同恒壓和恒溫作用下的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行長(zhǎng)期蠕變模擬計(jì)算。模擬過(guò)程中共設(shè)計(jì)了24個(gè)模擬計(jì)算工況(表5)，每個(gè)工況下將進(jìn)行5 a、10 a、15 a、20 a、25 a和30 a的蠕變計(jì)算。

表5 數(shù)值模擬計(jì)算工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 壓力作用下的腔體蠕變結(jié)果

針對(duì)所建地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔，研究其在運(yùn)行內(nèi)壓為4 MPa～20 MPa下的儲(chǔ)氣庫(kù)蠕變變形情況。在此部分研究中，未加入溫度影響因素，地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行時(shí)間分別為5 a～30 a。以運(yùn)行壓力為16 MPa為例，腔體在不同運(yùn)行時(shí)間下的蠕變變形情況見(jiàn)圖6。通過(guò)圖6可以看出，在壓力作用下，地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的最大位移出現(xiàn)在腔體的頂部。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，腔體的最大位移從1.23 m增加到6.556 1 m，并且最大位移出現(xiàn)位置主要集中在腔體的頂部，以及鹽巖和夾層交界處。因此，在地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行過(guò)程中，需要重點(diǎn)對(duì)腔體頂部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止腔體發(fā)生垮塌。

(a)(b)(c)圖6 恒壓16 MPa運(yùn)行下的儲(chǔ)氣庫(kù)腔體最大位移圖:(a)蠕變10 a;(b)蠕變20 a;(c)蠕變30 aFig.6 The maximum displacement of the gas storage cavity under a constant pressure of 16 MPa operation: (a)Creep for 10 years; (b)Creep for 20 years; (c)Creep for 30 years

地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)流變位移隨時(shí)間變化見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，腔體附近圍巖的流變位移隨運(yùn)行時(shí)間的增加而增大，隨運(yùn)行壓力的增加而減小。說(shuō)明鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行內(nèi)壓增大對(duì)于腔體的變形起著抑制的作用。在地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間，要盡量避免在較低儲(chǔ)氣壓力下運(yùn)行。

圖7 儲(chǔ)氣庫(kù)腔體流變位移變化圖

地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)腔體體積收斂率隨內(nèi)壓變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8(a)。從圖8(a)可看出，當(dāng)運(yùn)行內(nèi)壓為4 MPa和6 MPa時(shí)，在恒壓運(yùn)行30 a后，腔體的體積收斂率分別為43.55%和34.24%，從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，此時(shí)該地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)將無(wú)法進(jìn)行正常的運(yùn)營(yíng)。此外，相同運(yùn)行年限下，隨著運(yùn)行內(nèi)壓的增加，腔體的體積收斂率減小。運(yùn)行年限越長(zhǎng)，腔體體積收斂率隨著運(yùn)行內(nèi)壓的增加減小得越快，其減小速率在內(nèi)壓為16 MPa時(shí)開(kāi)始平緩。

圖8 腔體體積收斂率變化圖：(a)體積收斂率隨內(nèi)壓變化；(b)年平均體積收斂率隨時(shí)間變化

腔體的年平均體積收斂率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖8(b)。從圖8(b)可看出，腔體的年平均體積收斂率一直維持在較為平穩(wěn)狀態(tài)。在地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行30 a間，運(yùn)行壓力為4 MPa和6 MPa時(shí)的腔體最小年平均體積收斂率分別為1.452%和1.141%，均大于了規(guī)定值1%。在運(yùn)行壓力為8 MPa～20 MPa時(shí)，腔體的年平均體積收斂率逐漸減小，其中在壓力為16 MPa～20 MPa時(shí)，不同壓力下的腔體的年平均收斂率的差距減小。

綜上，運(yùn)行壓力的增加，可以有效地抑制地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的蠕變變形。當(dāng)運(yùn)行壓力低于8 MPa時(shí)，腔體的年平均收斂率大于所規(guī)定的年平均收斂率，此時(shí)的運(yùn)行壓力對(duì)于腔體的穩(wěn)定性十分不利。但是，當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行壓力超過(guò)16 MPa時(shí)，采用提高運(yùn)行壓力來(lái)減少儲(chǔ)氣庫(kù)體積的作用削弱。

3.2 熱力耦合作用下的腔體蠕變結(jié)果

由于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，腔內(nèi)氣體將與地層進(jìn)行充分換熱。因此在進(jìn)行腔體長(zhǎng)時(shí)間的蠕變時(shí)將溫度設(shè)置為323.65 K，運(yùn)行壓力依然取恒定壓力為4 MPa～20 MPa。以運(yùn)行內(nèi)壓為14 MPa為例，腔體在不同運(yùn)行時(shí)間下的蠕變變形情況見(jiàn)圖9。通過(guò)圖9可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，腔體的位移逐漸增大。地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的最大位移出現(xiàn)在腔體的頂部。在鹽巖與夾層的交界處也出現(xiàn)了較大變形，該變形量大于腔壁其他部分的變形量。這是因?yàn)椋瑠A層泥巖與鹽巖的性質(zhì)不同，在受到溫度和應(yīng)力的作用下，其變形也不同，因此會(huì)產(chǎn)生附加約束，在交界處就會(huì)形成較大的位移。

分別選取壓力作用下和熱力耦合作用下，運(yùn)行壓力為4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa時(shí)腔體蠕變產(chǎn)生的最大位移進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖見(jiàn)圖10。

圖10 儲(chǔ)氣庫(kù)腔體流變位移變化圖

從圖10可以看出，熱力耦合作用下的腔體最大位移的變化趨勢(shì)與壓力作用下的腔體最大位移變化趨勢(shì)一致的。對(duì)比兩種工況下的腔體最大蠕變位移，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行內(nèi)壓為4 MPa～12 MPa時(shí)，考慮溫度時(shí)的腔體圍巖比只作用壓力下的腔體位移更大。這是因?yàn)楫?dāng)鹽巖在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)蠕變時(shí)，溫度的增加會(huì)導(dǎo)致鹽巖蠕變率的增加，表現(xiàn)為腔體的流變位移增大。當(dāng)運(yùn)行壓力為12 MPa～20 MPa時(shí)，溫度對(duì)于圍巖的流變位移影響不大。

鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)蠕變30 a的體積收斂率隨內(nèi)壓變化見(jiàn)圖11(a)。從圖11(a)可以看出，相同運(yùn)行年限下，隨著運(yùn)行內(nèi)壓的增加，腔體的體積收斂率減小。在運(yùn)行30 a時(shí)，運(yùn)行內(nèi)壓為4 MPa時(shí)，運(yùn)行30 a后的腔體體積收斂率為51.82%，該腔體已經(jīng)嚴(yán)重失效。在相同運(yùn)行內(nèi)壓下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，腔體的體積收斂率也越大；并且運(yùn)行壓力越低，腔體體積收斂率增加的越快。

將熱力作用下和壓力作用下的腔體年平均體積收斂率進(jìn)行對(duì)比，選取運(yùn)行壓力為4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa下的模擬結(jié)果，對(duì)應(yīng)工況下的腔體年平均收斂率見(jiàn)圖11(b)。

圖11 體積收斂率變化圖：(a)體積收斂率隨內(nèi)壓變化；(b)年平均體積收斂率隨時(shí)間變化

從圖11(b)可以看出，隨著運(yùn)行內(nèi)壓的增加，腔體年平均收斂率下降十分明顯。熱力耦合作用下的腔體年平均收斂率在壓力為4 MPa～6 MPa要明顯大于壓力作用下的腔體年平均收斂率。值得注意的是，在運(yùn)行壓力為8 MPa時(shí)，若不考慮溫度的影響因素，腔體的年平均收斂率均小于1%；而考慮了溫度的影響因素后，腔體的年平均收斂率略高于1%，不符合我國(guó)鹽腔收斂標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行壓力為16 MPa和20 MPa時(shí)，是否考慮溫度對(duì)于腔體的年平均收斂率影響不大。這是因?yàn)?，腔體所受的綜合應(yīng)力是腔體內(nèi)壓，地靜應(yīng)力和熱應(yīng)力的合應(yīng)力。當(dāng)腔體內(nèi)壓較小時(shí)，熱應(yīng)力在綜合應(yīng)力中占比較內(nèi)壓大，因此溫度對(duì)于腔體的蠕變影響較大；而當(dāng)腔體內(nèi)壓較大時(shí)，熱應(yīng)力在綜合應(yīng)力中的占比減小，此時(shí)鹽巖的蠕變主要受到腔體內(nèi)壓的影響。

3.3 不同溫度作用下的腔體蠕變結(jié)果

埋深不同的地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)，所處地層的溫度也不同。為了探究溫度對(duì)于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)腔體蠕變的影響，設(shè)置運(yùn)行壓力為8 MPa，溫度為308.15 K～333.15 K的腔體的蠕變計(jì)算模型。以運(yùn)行溫度為333.15 K為例，腔體在不同運(yùn)行時(shí)間下的蠕變變形情況見(jiàn)圖12。通過(guò)圖12可知，在恒溫恒壓的作用下，腔體的位移量也隨著運(yùn)行年限的增加而增加。并且腔體的最大位移同樣出現(xiàn)在腔體的頂部和底部以及夾層交界處。

運(yùn)行壓力為8 MPa，腔體的最大位移隨溫度變化的趨勢(shì)圖見(jiàn)圖13。從圖13可看出，在相同運(yùn)行時(shí)間下，腔體溫度越高，腔體的蠕變位移越大。在運(yùn)行30 a時(shí)，若腔體溫度為308.15 K，腔體產(chǎn)生的最大蠕變位移為3.072 1 m，而腔體溫度為333.15 K時(shí)，腔體產(chǎn)生的最大蠕變位移為10.153 m，約為308.15 K時(shí)腔體位移的3.3倍。這說(shuō)明，腔體溫度的增大會(huì)加快腔體的蠕變速率，不利于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖13 儲(chǔ)氣庫(kù)腔體流變位移變化圖

不同溫度下的腔體體積收斂率隨溫度變化圖見(jiàn)圖14(a)。從圖14(a)可以看出，在同一溫度下，腔體運(yùn)行時(shí)間越短，腔體的體積收斂率越小，在腔體溫度為323.15K時(shí)，運(yùn)行5 a和運(yùn)行30 a的腔體體積收斂率分別為7.664%和20.923%。在同一運(yùn)行時(shí)間下，腔體的體積收斂率隨著溫度的增加而增大，當(dāng)在運(yùn)行15 a時(shí)，308.15 K時(shí)的腔體體積收斂率為8.567%，333.15K時(shí)的腔體體積收斂率為19.587%；平均每升高1K，腔體的體積收斂率就增加0.441%。

圖14 體積收斂率變化圖：(a)體積收斂率隨溫度變化；(b)年平均體積收斂率隨時(shí)間變化

腔體的年平均體積收斂率隨時(shí)間變化圖見(jiàn)圖14(b)。由圖14(b)可以看出，腔體的年平均體積收斂率隨運(yùn)行時(shí)間的增加而下降。在運(yùn)行15 a之前，腔體的年體積收斂率下降迅速，在腔體溫度為333.15 K時(shí)，腔體的年平均體積收斂率從第5 a的2.13%下降到第15 a的1.312%，下降速率為0.054%/a。而在腔體運(yùn)行15 a～30 a，腔體的體積收斂率從1.312%下降到0.908%，下降速率為0.027%/a。因此，在地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行初期，溫度對(duì)地下鹽巖腔體的收斂具有很大的影響，需要著重關(guān)注，調(diào)整注采方案，防止地下腔體的失穩(wěn)。由于腔體溫度在333.15 K時(shí)，腔體的年平均體積收斂率在運(yùn)行第25 a時(shí)為1.004%，在整個(gè)運(yùn)行周期中的大部分時(shí)間均不滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，因此不建議地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)在溫度超過(guò)333.15 K的工況下長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 結(jié)論

文章主要研究了地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性。首先分析了地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，隨后采用FLAC 3D軟件，對(duì)壓力作用、熱力耦合作用和不同溫度作用下的腔體進(jìn)行了蠕變計(jì)算，得到溫度和壓力對(duì)腔體蠕變變形的影響規(guī)律。

1)研究了只有壓力作用下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)腔體蠕變規(guī)律。腔體最大蠕變位移隨著時(shí)間增加而增大，隨著壓力的增大而減小。運(yùn)行30 a后，腔體在4 MPa壓力下的最大蠕變位移為11.58 m，在20 MPa壓力下的最大蠕變位移為0.94 m，說(shuō)明內(nèi)壓增大對(duì)于腔體的變形起著抑制的作用。運(yùn)行30 a間，運(yùn)行壓力為4 MPa和6 MPa時(shí)的腔體最小年平均體積收斂率均大于了規(guī)定值1%。因此，建議該地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)該在8 MPa～16 MPa的壓力范圍下運(yùn)行。

2)研究了考慮溫度因素下腔體蠕變規(guī)律，并將腔體溫度設(shè)定為323.65 K。當(dāng)內(nèi)壓小于12 MPa時(shí)，熱力耦合下的腔體最大位移較壓力作用下更大。而當(dāng)內(nèi)壓大于12 MPa時(shí)，溫度對(duì)于腔體最大蠕變變形量的影響減小。當(dāng)運(yùn)行壓力為8 MPa時(shí)，若不考慮腔體溫度，則年平均體積收斂率均滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。相反，在考慮溫度情況下，運(yùn)行5 a時(shí)，腔體年平均收斂率高于了收斂標(biāo)準(zhǔn)。因此，在研究地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)，不應(yīng)忽略溫度的影響。

3)研究了不同溫度對(duì)于腔體蠕變變形的影響。在相同運(yùn)行時(shí)間下，溫度越高腔體的蠕變位移越大。腔體溫度的增大會(huì)加快腔體的蠕變速率，不利于地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行。在前15 a的運(yùn)行過(guò)程中，不同溫度下的腔體年平均收斂率大都高于1%的標(biāo)準(zhǔn)。但是腔體的年平均收斂率均下降較快，只有運(yùn)行溫度為333.15 K的腔體在運(yùn)行15 a時(shí)，年平均體積收斂率仍大于1%。因此，建議該地下鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)行溫度應(yīng)保持333.15 K以下。