摘 要：盐岩蠕变对盐穴地下储气库的溶腔形态有着较大的影响，易造成储气库失效、泄漏、破裂等安全问题。为此，利用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D陕速拉格朗日差分软件，建立了盐穴储气库模型，对储气库溶腔蠕变规律进行了数值模拟，分析了在不同蠕变时间内、不同内压下储气库溶腔在不同直径处的变形量，得到在盐岩蠕变下，盐穴储气库溶腔形态的变化规律，并给出了相应操作建议：①盐穴储气库溶腔不同直径处产生的变形量是不同的，溶腔最大直径处变形量最大，随着直径的增大变形量增大，且呈非均匀性增大，因此在建设盐穴储气库时，应对储气库溶腔的高径比进行严格地计算；②溶腔内压对储气库溶腔变形量有直接作用，较高压力下的盐岩蠕变对储气库溶腔形态变化的影响比低压时小，因此建议在盐穴储气库实际运行过程中，尽量避免低压运行，以保证储气库溶腔形态的完整性。该成果为盐穴储气库的安全运行与维护提供了可行的依据。
关键词：盐穴地下储气库 盐岩蠕变 溶腔形态 变化规律 数值模拟 溶腔内压 完整性 操作压力
Numeilical simuhaion of the creep defonnation of underground salt cavern gas storages
Abstract：With the rapid development of underground salt cavern gas storages in China，how to scientifically analyze the deformation rule of salt cavern gas storages and ensure their shape integrity have become important issues in gas storage construction，operation maintenance and management．In the operation of salt cavern gas storages，due to the role of different internal pressures and external formation pressures，the deformation in different diameters of cavity gypsum layers is different．In this paper,FLAC3D was used to numerically simulate the creep law of salt cavern gas storages and analyze the deformation in different diameters of cavity gypsum layers under different pressures．The results showed that the internal pressure has a direct effect on the deformation of salt cavern gas storages cavity，and the deformation changes with different diameters of cavity which is inhomogeneous with the increase of diameters．Thus，the ratio of height to diameter of cavity must be controlled strictly in the construction of underground salt cavern gas storages and the operation pressures of gas inj ection and mining must be controlled strictly in the running processes of gas storages．
Keywords：underground salt cavern gas storage，salt rock creep，cavity form，deformation rule，numerical simulation，internal pressure，integrity，operation pressure
盐穴地下储气库(以下简称盐穴储气库)通过常规钻井方法钻穿盐岩层，注入淡水进行冲蚀，抽出卤水后利用形成的溶腔进行气体储存。由于盐岩具有孔隙度低、渗透性小、塑性大等优点，运用盐穴储气库储存气体安全可靠、不易渗漏[1]。
盐岩具有较大塑性，造成了储气库溶腔注采气时的可收缩性。同时，盐岩具有蠕变特性，盐岩蠕变对盐穴地下储气库的溶腔形态有较大影响，造成储气库失效、泄漏、破裂等安全问题[2]。鉴于此，利用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D快速拉格朗日差分软件，建立盐穴储气库模型，对储气库溶腔蠕变规律进行数值模拟，分析在不同蠕变时间内、不同内压下储气库溶腔在不同直径处的变形量，得到在盐岩蠕变下，盐穴储气库溶腔形态的变化规律，为盐穴储气库的安全运行与维护提供可行的依据。
1 建模原理
利用数值模拟方法对盐穴储气库溶腔蠕变规律及溶腔变形量开展研究，基本原理是采用拉格朗日法研究每个流体质点随时间变化的情况，着眼于某个流体质点，研究任一段时间内质点运动的轨迹以及质点的速度和压力。
FLAC3D将求解物体离散为一系列如图1所示的四面体单元，并采用插值函数
进行求解，函数中ui、vi分别代表四面体中节点的位移、速度。FLAC3D数值模拟基本原理是[3]：①通过对三维介质的离散，使所有外力与内力集中于三维网络节点上，进而将连续介质运动定律转化为离散节点上的牛顿定律；②时间与空间的层数采用沿有限空间与时间间隔线性变化的有限差分来近似地表示；③将静力问题当做动力问题来求解，运动方程中惯性项用来作为达到所求静力平衡的一种手段。
2 溶腔模型的建立
我国盐岩矿藏以多夹层盐岩为主，由于主要分析盐穴储气库溶腔在盐岩蠕变下的变形规律，因此在建立储气库溶腔模型时将复杂的盐岩夹层简化为简单的单层盐岩层。借鉴江苏金坛盐穴储气库的建库参数[4]，建立了如图2所示的腔体几何模型。建立溶腔及围岩地层模型后，将地层岩石力学参数、盐层的蠕变关系、溶腔周围的地应力参数及溶腔运行参数带入模型中进行模拟计算。
2．1 网格划分及参数设置
利用ANSYS软件进行模型网格划分[5]，并接入到FALC3D中，划分后的网格如图3所示。
图3中，1/4圆柱体模拟储气库溶腔周围的地质环境，其直径是储气库溶腔模型最大直径的20倍，在网格中间位置可以看到储气库溶腔轮廓的1/4。在网格划分时将储气库溶腔网格一起划分，有助于储气库溶腔的形成。在此网格中，定义了2个组，分别是group1和group2，前者对储气库溶腔进行网格划分，后者对储气库溶腔周围地质环境进行网格划分。选择采用各向同性弹性模型，其材料特性常数见表1。
2．2 模型求解及验证
数值分析采用迭代方法计算，在迭代过程中监控一些变量或参数的变化，以判断分析结果是否正确，模型是否与实际相符[6-7]。监控模型最大不平衡力，所谓体系最大不平衡力，是指每一个计算循环中，外力通过网格节点传递分配到体系各节点时，所有节点的外力与内力之差中的最大值。如图4～6监控了最大不平衡力，并记录了位移等值线图和应力等值线图。
由图4可以得出，该模型中最大不平衡力逐渐收敛至零，表示所建储气库溶腔模型具有收敛性。由图4、5可以看出，在建立的土体模型中，由于重力场的作用，最大位移和最大应力分别出现在模型的最底部。
2．3 腔体的形成及导入蠕变模型
利用空模型形成腔体模型，通过设置groupl为空模型进行开挖，开挖后的模型如图7、8所示。
形成腔体模型后，需要对溶腔施加内压，通过施加法向应力将储气库内压分别设置为10MPa、15MPa、17MPa、20MPa、23MPa、25MPa和30MPa，选择经典黏弹性蠕变模型[8-9]计算在不同内压条件下溶腔不同直径处的蠕变变形量。经典黏弹性蠕变模型材料参数如表2所示。
3 蠕变计算及结果分析
3．1 蠕变计算
根据一些学者的研究[10-12]，进行蠕变计算时，分别计算了储气库溶腔内压为10MPa、15MPa、17MPa、20MPa、23MPa、25MPa、30MPa，蠕变时间分别为2a、4a、6a、8a、10a、15a、20a时，储气库溶腔直径为20m、30m、40m、50m处X轴向的位移变化量。
3．2 结果分析
根据模拟计算所得结果，可以得到不同压力下储气库溶腔不同直径处变形量图(图9～11)，经总结分析，仅列出具有代表性的分析图。图9～11分别表示溶腔内压为10MPa、20MPa、30MPa时，不同蠕变时间盐穴储气库溶腔不同直径处的变形量。
对比分析图9～11，可以得出：①溶腔不同直径处变形量随时间变化规律比较一致，溶腔直径为50m处的变形量最大；②蠕变时间为6a时，不同压力下溶腔不同直径处变形量曲线均出现一个明显的转折点。蠕变时间小于6a时，溶腔变形量曲线斜率较大，表明在此时间内溶腔变形速率较大，变形比较显著；蠕变时间大于6a时，溶腔变形量曲线较平缓，溶腔变形量随时间变化不大；③内压为10MPa时，蠕变20a后，溶腔直径为50m处变形量为360mm。内压为20MPa时，蠕变20a后，溶腔直径为50m处变形量为620mm。内压为30MPa时，蠕变20a后，溶腔直径为50m处变形量为640mm。数据表明，溶腔内压小于20MPa时，溶腔变形量随压力增大显著增加；溶腔内压大于20MPa时，溶腔变形量变化不大。
4 结论
1)建立了盐穴储气库溶腔模型，计算分析了在盐岩蠕变下盐穴储气库溶腔形态的变形量，得到了盐穴储气库在不同压力下溶腔不同直径处的变化规律。由于受盐岩蠕变的影响，在盐穴储气库溶腔不同直径上产生的变形量是不同的，溶腔最大直径处变形量最大，随着直径的增大变形量增大，且呈非均匀增大，因此在建设盐穴储气库时，应对储气库溶腔的高径比进行严格的计算。
2)盐穴储气库在不同的运行压力下变形量是不同的。当压力小于20MPa时，随着内压增加，溶腔整体变形量增加；当内压大于20MPa时，随着内压增加，溶腔整体变形量基本保持不变。说明在较高压力下，盐岩蠕变对溶腔形态变化的影响比低压时小。因此，建议在盐穴储气库实际运行过程中，尽量避免低压运行，以保证储气库溶腔形态完整性。
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本文作者：梁光川 王梦秋 彭星煜 张硕
作者单位：西南石油大学石油与天然气工程学院
中国石油两气东输管道公司苏北管理处
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