地下储气库围岩力学分析与安全评价

第1章 绪论

1.1 世界地下储气库建设现状

1.1.1 北美地下储气库建设现状

1.1.2 俄罗斯地下储气库建设现状

1.1.3 欧洲地下储气库建设现状

1.2 我国地下储气库建设现状

1.2.1 储气库建设意义

1.2.2 储气库建设现状

1.3 我国地下储气库建设过程中面临的挑战

1.3.1 盐岩破坏准则

1.3.2 矿柱、顶板稳定性评价

1.3.3 地表沉降量预测

1.3.4 地震载荷作用下盐穴储气库安全性评价

1.3.5 盐穴储气库密封性评价

1.3.6 储气库完井套管柱安全性评价

1.3.7 衰竭油气藏型储气库中气体运移规律及动态库存量预测

1.4 本书主要研究内容

第2章 适用于多夹层盐岩的改进Mohr-Coulomb判据

2.1 岩石破坏强度理论

2.2 改进Mobr-Colalomb判据的建立

2.2.1 模型建立

2.2.2 实验数据拟合及对比

2.3 储气库最小运行压力数值模拟计算

2.4 不同盐岩破坏准则对计算结果的影响

2.5 本章小结

第3章 盐穴储气库形状优化及围岩变形规律研究

3.1 地下盐穴储气库形状设计数学模型

3.1.1 下部结构形状计算模型

3.1.2 上部结构形状计算模型

3.2 盐穴储气库形状设计及尺寸确定

3.2.1 计算参数选取

3.2.2 盐穴下部结构设计

3.2.3 盐穴上部结构设计

3.2.4 整个盐穴形状设计

3.3 不同形状盐穴储气库安全性能指标对比

3.3.1 体积收缩率

3.3.2 变形量

3.3.3 塑性区体积

3.3.4 安全系数

3.3.5 等效应变

3.4 盐穴间矿柱应力和变形分析

3.4.1 数值模拟计算模型

3.4.2 注采气时间同步时矿柱受力分析

3.4.3 注采气时间异步时矿柱受力分析

3.4.4 不同注采气条件下矿柱蠕变位移

3.4.5 盐穴围岩塑性损伤区

3.4.6 盐穴围岩等效应变

3.4.7 剪胀安全系数

3.5 本章小结

第4章 矿柱和顶板稳定性评价的尖点位移突变模型

4.1 突变理论概述

4.2 尖点位移突变模型建立

4.2.1 有限差分强度折减法

4.2.2 尖点位移突变模型建立

4.2.3 矿柱和顶板稳定评价步骤

4.3 矿柱稳定性影响因素分析

4.4 Y-1和Y-2盐穴间矿柱稳定性评价

4.4.1 模型建立

4.4.2 计算结果分析

4.5 盐穴储气库顶板稳定性评价

4.6 本章小结

第5章 盐穴储气库地表动态沉降量预测

5.1 地表沉降量预测数学模型建立

5.2 软件开发及计算结果验证

5.3 云应盐穴储气库地表沉降量分析

5.3.1 计算参数选取

5.3.2 云应盐穴储气库地表沉降量预测

5.4 云应盐穴储气库地表沉降量影响因素分析

5.4.1 盐穴直径

5.4.2 盐穴高度

5.4.3 内压

5.4.4 采气速率

5.4.5 注采气频率

5.5 云应盐穴储气库群地表沉降量预测

5.6 本章小结

第6章 地震载荷作用下盐穴储气库非线性动态响应分析

6.1 盐穴储气库数值模型及边界选取

6.2 地震波选择与校正

6.3 岩体材料参数

6.4 盐穴储气库动力计算结果及分析

6.4.1 不同地震入射角下盐穴的响应分析

6.4.2 不同地震强度下盐穴的响应分析

6.4.3 不同地震时刻盐穴围岩松动扩展过程分析

6.4.4 不同地震波作用下盐穴的响应分析

6.4.5 不同内压下盐穴的响应分析

6.4.6 不同径高比下盐穴的响应分析

6.4.7 不同矿柱宽度下盐穴的响应分析

6.5 本章小结

第7章 多夹层盐穴储气库密封性研究

7.1 等效渗透率模型建立

7.1.1 天然气运移速度

7.1.2 天然气运移等效渗透率模型

7.2 多夹层盐穴储气库密封性分析

7.2.1 计算结果对比

7.2.2 影响因素分析

7.3 相邻多夹层盐穴储气库渗流规律

7.3.1 运行时间对气体渗透压力的影响

7.3.2 泥岩夹层中气体渗透压力分析

7.3.3 不同矿柱宽度对气体渗透压力的影响

7.3.4 注采气异步对气体渗透压力的影响

7.3.5 不同夹层渗透率对气体渗透压力的影响

7.3.6 不同运行压力对渗透压力的影响

7.4 本章小结

第8章 基于优化及可靠性方法的储气库管柱力学分析

8.1 Gauss-Newton-Marquardt算法

8.2 蠕变地层套管外挤载荷反分析改进算法

8.3 改进G-N-M算法在求解套管蠕变载荷中的应用

8.3.1 计算精度验证

8.3.2 蠕变地层中套管受到的外挤载荷求解

8.4 储气库完井套管柱受力分析

8.4.1 有限元计算模型及边界条件

8.4.2 套管蠕变外挤载荷

8.4.3 夹层参数对套管受力和变形的影响

8.5 储气库套管柱可靠性评价及设计

8.5.1 管柱失效形式与概率计算

8.5.2 套管的可靠度模型与计算分析

8.5.3 套管的可靠性设计

8.6 本章小结

第9章 衰竭油气藏型储气库中天然气运移规律研究

9.1 天然气运移模型建立

9.1.1 应力场控制方程

9.1.2 渗流控制方程

9.1.3 定解条件

9.2 算例分析及结果讨论

9.2.1 计算结果分析

9.2.2 影响因素分析

9.3 惰性气体作为垫层气的多元气耦合模型

9.3.1 应力场控制方程

9.3.2 多元气耦合扩散渗流控制方程

9.3.3 辅助方程与定解条件

9.4 算例分析及结果讨论

9.4.1 计算结果对比

9.4.2 影响因素分析

9.5 本章小结

第10章 基于多井约束优化方法的地下储气库库存量动态预测

10.1 衰竭气藏型地下储气库天然气运移模型

10.2 多井约束优化反分析模型建立

10.3 多井约束优化反分析算法

10.3.1 Levenberg-Marquardt算法

10.3.2 遗传算法

10.3.3 混合遗传算法

10.3.4 混合遗传算法有效性验证

10.4 地下储气库储存量动态预测实例分析

10.5 本章小结

第11章 地下储气库围岩力学分析软件开发及应用

11.1 地下盐穴储气库形状优化设计软件

11.2 地下盐穴储气库地表动态沉降量预测软件

11.3 地下盐穴储气库管柱安全可靠性评价软件

11.4 衰竭油气藏型储气库库存量动态预测软件

附录

附录一 倒鸭梨形盐穴储气库FLAC3D建模命令流

附录二 地震载荷作用下盐穴储气库动态响应分析FLAC3D命令流

附录三 多夹层盐穴储气库渗流场分析FLAC如命令流

附录四 蠕变载荷作用下盐岩地层中套管柱受力分析ANSYS命令流

附录五 多夹层盐岩地层中套管柱受力分析ANSYS命令流

参考文献

《地下储气库围岩力学分析与安全评价》共分11章。
　　第1章介绍了国内外地下储气库发展现状及我国在地下储气库建设中面临的问题和挑战；第2章根据我国多夹层盐岩破坏特征建立了适用于多夹层盐岩的改进Mohr-Coulomb判据，并利用实验结果进行验证，采用数值模拟计算方法与已有准则的计算结果进行了对比；第3章通过引入边坡失稳和压力拱概念优化设计出地下盐穴储气库形状，对比了已有形状和新设计盐穴储气库的体积收缩率、变形量、塑性区体积、安全系数和等效应变等指标，最后对相邻盐穴储气库间矿柱受力和变形进行了分析，从不同角度给出了相邻盐穴储气库间矿柱宽度推荐值；第4章采用尖点位移突变理论建立地下盐穴储气库顶板和矿柱稳定性评价计算模型，并对某盐穴储气库间矿柱和顶板稳定性进行了实例分析，研究了不同因素对顶板和矿柱稳定性的影响；第5章建立了盐穴储气库地表动态沉降量预测模型，开发了相应的计算软件对云应盐穴储气库地表沉降量进行了分析，研究了盐穴直径、盐穴高度、内压、采气速率、注采气频率等因素对盐穴储气库地表沉降量的影响，最后分析了盐穴储气库群地表沉降量变化规律；第6章根据地震载荷作用下盐穴储气库非线性动态响应特征建立了相应的计算模型，研究了地震入射角、地震强度、持续时间、地震波类型、内压、盐穴径高比和矿柱宽度等因素对地震载荷作用下盐穴围岩变形、应力、安全系数和塑性区等影响规律；第7章建立了天然气在夹层中运移的等效渗透率模型，有效降低了数值模拟计算参数个数、提高了计算精度，并对金坛盐穴储气库群中两个相邻盐穴间气体渗流规律进行了研究；第8章建立了盐岩地层中储气库完井管柱受力和变形计算模型，对传统的Gauss-Newton-Marquardt算法提出了改进措施，提高了计算速度和精度，研究了套管柱外挤载荷变化规律及夹层参数对套管柱安全的影响，最后通过引入可靠性计算方法对储气库套管柱的设计方法进行了补充；第9章建立了衰竭油气藏型地下储气库中天然气动态运移和多元气动态运移耦合模型，分别研究了储层参数对地层压力、含气饱和度及回采气中氮气浓度的影响规律；第10章建立了衰竭气藏型地下储气库库存量动态预测的多井约束优化反分析模型，并对国内某地下储气库库容量进行了动态预测，给出地下储气库的泄漏量预测值；第11章根据前面研究成果开发完成“地下盐穴储气库形状优化设计软件”、“地下盐穴储气库地表动态沉降量预测软件”、“地下盐穴储气库管柱安全可靠性评价软件”和“衰竭油气藏型储气库库存量动态预测软件”，为《地下储气库围岩力学分析与安全评价》研究成果在现场的推广和使用提供了方便。