國內(nèi)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

王偉超，朱高房

(1.河南理工大學(xué)研究生院，河南焦作454003；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454003)

1 概述

能源儲(chǔ)備對(duì)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起著重要的戰(zhàn)略支撐作用，而國外大多數(shù)國家將鹽巖溶腔作為理想的能源儲(chǔ)備場(chǎng)所，是因?yàn)槠渚哂休^低的滲透性、損傷自恢復(fù)性、良好的密閉性、造腔成本低的優(yōu)點(diǎn)。國外的鹽巖腔體多建于鹽巖層較厚的鹽丘上，而我國的鹽巖層較薄，并且在鹽巖層之間多夾雜著泥巖、石膏巖和鈣芒硝等巖層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，所以研究不同地區(qū)鹽巖的力學(xué)特性和鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性是必要的。隨著我國在江蘇金壇建造了首個(gè)鹽巖儲(chǔ)庫群，伴隨其的各種關(guān)于鹽巖力學(xué)特性和鹽巖儲(chǔ)庫的研究也相應(yīng)的展開，本文將會(huì)對(duì)國內(nèi)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)研究進(jìn)行分類整理，歸納出鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性研究的一般方法和結(jié)論，為今后進(jìn)一步研究鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性打下基礎(chǔ)。

2 國內(nèi)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性分析研究進(jìn)展

由于鹽巖儲(chǔ)庫建造環(huán)境的特殊性，所以在分析鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性時(shí)大多會(huì)先研究鹽巖的力學(xué)特性，并得出其基本力學(xué)參數(shù)，然后利用數(shù)值模擬的方法分析鹽巖儲(chǔ)庫的穩(wěn)定性。國內(nèi)關(guān)于鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性分析的研究主要包括：一是夾層及交界面基本力學(xué)特性影響研究，通常包括夾層特征對(duì)鹽巖物理和力學(xué)特性的影響及層狀鹽巖交界面處力學(xué)特性分析。二是鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響因素研究，如所建儲(chǔ)庫的埋深、幾何形狀、運(yùn)行內(nèi)壓與注采速率、鹽巖所含夾層。

2.1 夾層及交界面的力學(xué)特性研究進(jìn)展

與國外鹽丘不同，我國鹽礦多為層狀鹽巖，并且夾層數(shù)目、厚度以及軟硬均不一樣，因此對(duì)于不同夾層特征對(duì)鹽巖物理力學(xué)特性影響的研究也是鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)。

2.1.1 夾層特征對(duì)鹽巖物理特性影響

鹽巖滲透性研究可以為鹽巖儲(chǔ)庫的穩(wěn)定性和密閉性研究提供指導(dǎo)。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于滲透性主要從影響因素、微觀和宏觀出發(fā)。王新志等[1]把影響滲透性因素分為內(nèi)因和外因2個(gè)方面，但其僅對(duì)滲透性因素做了劃分，并未進(jìn)行深層次研究。從微觀角度研究，通常采用電鏡掃描鹽巖體及其夾層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；而從宏觀角度分析，通常會(huì)測(cè)定鹽巖滲透率，測(cè)定方法分別有：穩(wěn)態(tài)法、周期加載法和非穩(wěn)態(tài)壓力脈沖衰減法（或稱瞬態(tài)氣測(cè)法[2]），對(duì)于測(cè)定較低滲透性巖石的滲透率一般采用非穩(wěn)態(tài)壓力脈沖衰減法。劉偉等[2]利用瞬態(tài)氣測(cè)法分析三軸壓縮下鹽巖滲透性，認(rèn)為加壓使損傷后的鹽巖滲透性恢復(fù)較低水平；但在鹽巖擴(kuò)容邊界研究時(shí)，未能測(cè)到完整的擴(kuò)容邊界。通過以上研究發(fā)現(xiàn)，無論是微觀還是宏觀進(jìn)行分析鹽巖滲透性，在獲取鹽巖試件過程中，取芯和加工會(huì)對(duì)試件產(chǎn)生損傷，為消除損傷通常先在靜水壓力中壓縮，但是關(guān)于靜水壓力的選擇與作用時(shí)長和鹽巖壓縮的擴(kuò)容邊界的研究較少。

2.1.2 夾層特征對(duì)鹽巖力學(xué)特性影響

國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)場(chǎng)取芯獲得含有不同含量、數(shù)目和間距夾層的鹽巖是不可行的，且現(xiàn)場(chǎng)取芯也會(huì)對(duì)巖芯造成擾動(dòng)，所以開始另辟蹊徑利用制備型鹽來研究夾層特征對(duì)鹽巖力學(xué)特性的影響。其中姜德義[3]利用該方法研究含弱夾層鹽巖型鹽力學(xué)特性，認(rèn)為不同的夾層厚度比和夾層分布會(huì)對(duì)含軟弱夾層鹽巖型鹽的變形、破壞和力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。鹽巖夾層在層狀鹽巖中不僅是含量、數(shù)目和間距有變化，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)角度上的傾斜。劉偉等(2013)研究了含傾斜夾層鹽巖體的變形與破壞特性，通過研究發(fā)現(xiàn)傾斜夾層不同位置處其破壞形式也不同。綜合來看利用制備型鹽的方法來研究夾層特征對(duì)鹽巖力學(xué)特性的影響是可行的，并且該方法還為在室內(nèi)研究層狀鹽巖基本特性提供了一種新途徑。

2.1.3 層狀鹽巖交界面力學(xué)特性

鹽巖儲(chǔ)庫在長期運(yùn)行中，因?yàn)辂}巖和夾層的彈性模量和泊松比相差較大，因此會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而導(dǎo)致交界面處產(chǎn)生破裂，溶腔內(nèi)的石油或者天然氣會(huì)沿著破裂面泄漏，會(huì)對(duì)儲(chǔ)庫的安全造成威脅。因此，層狀鹽巖交界面處的力學(xué)特性的研究為分析鹽巖儲(chǔ)庫的穩(wěn)定性和密閉性提供了重要的參考依據(jù)。李銀平等[4]、劉偉等(2013)分別通過直剪試驗(yàn)、電鏡掃描試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層狀鹽巖交界面具有良好的粘結(jié)力，并認(rèn)為該結(jié)果有利于鹽巖儲(chǔ)庫的密閉性。直剪試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)是分別從宏觀和細(xì)觀兩個(gè)角度出發(fā)，而對(duì)于交界面處的變形與破壞規(guī)律的研究不足；還有一些學(xué)者利用數(shù)值模擬和建立不同的界面剪切強(qiáng)度模型分析交界面處的力學(xué)特性。綜合來看對(duì)于鹽巖交界面的研究主要集中在力學(xué)特性和變形與破壞特征的研究，而對(duì)于交界面處的本構(gòu)模型的研究較少。

2.2 鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響因素研究進(jìn)展

鹽巖儲(chǔ)庫的穩(wěn)定性是指單個(gè)溶腔的局部穩(wěn)定性以及溶腔群的整體穩(wěn)定性，在穩(wěn)定性研究中可以分為鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響因素分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。國內(nèi)學(xué)者在進(jìn)行鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性研究時(shí)，不但對(duì)夾層及交界面的力學(xué)特性進(jìn)行分析，而且還會(huì)研究鹽巖儲(chǔ)庫建造和運(yùn)行過程中影響穩(wěn)定性的因素。綜合鹽穴形和水平形2種不同類型的鹽巖儲(chǔ)庫發(fā)現(xiàn)在研究穩(wěn)定性影響因素時(shí)，通常會(huì)從以下方面進(jìn)行分析：鹽巖儲(chǔ)庫的埋深、幾何形狀、腔體運(yùn)行內(nèi)壓及注采速率、鹽巖夾層。

2.2.1 埋深對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響

我國鹽巖分布廣泛、多含夾層并且埋深差異也較大。鹽巖儲(chǔ)庫埋深較淺時(shí)，其受到的地層壓力較小，但是更容易受到地面活動(dòng)的影響，并且鹽巖儲(chǔ)庫一旦發(fā)生泄漏會(huì)給附近居民和環(huán)境帶來很大的危害；當(dāng)鹽巖儲(chǔ)庫埋深較深時(shí)，其會(huì)受到很大的地應(yīng)力作用，在長期作用下容易發(fā)生蠕變從而造成溶腔有效體積減小，使得溶腔失效，因此合理的埋深對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。

鑒于鹽巖儲(chǔ)庫的特殊性在研究埋深的影響時(shí)通常采用數(shù)值模擬方法，國內(nèi)學(xué)者梁光川等[5]、楊花(2009)、尹雪英等(2012)利用FLAC3D研究鹽巖儲(chǔ)庫埋藏深度的變化對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性的影響，通過改變鹽巖儲(chǔ)庫模型上層施加的壓力來模擬不同埋藏深度，研究發(fā)現(xiàn)在保持溶腔內(nèi)壓不變情況下，隨著埋藏深度的增加，溶腔位移近似呈直線增長，并且腔周破損區(qū)也在逐漸擴(kuò)大，當(dāng)埋藏深度達(dá)到一定值時(shí)，鹽巖儲(chǔ)庫會(huì)發(fā)生變形破壞；并且還認(rèn)為當(dāng)埋深增加時(shí)可以通過提高運(yùn)行內(nèi)壓來提升儲(chǔ)庫穩(wěn)定性。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)因?yàn)檠芯凯h(huán)境的特殊，所以研究方法較為單一，但是對(duì)于在大埋深下提升儲(chǔ)庫穩(wěn)定性時(shí)只考慮了運(yùn)行內(nèi)壓一種情況，還可以從溶腔的幾何形狀進(jìn)行分析。

2.2.2 幾何形狀對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性的影響

在建造鹽巖儲(chǔ)庫時(shí)，溶腔的形狀和高跨比對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫運(yùn)行期間的內(nèi)壓的設(shè)定、腔周流變位移和腔體體積收縮率等對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性指標(biāo)均有顯著影響。國內(nèi)一些學(xué)者在研究溶腔幾何形狀對(duì)儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響時(shí)，通常采用理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬2種方法。陳劍文等[6]通過對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫周圍巖體微元體受力分析推導(dǎo)出了高跨比與地應(yīng)力關(guān)系，利用圓弧滑動(dòng)法分析了儲(chǔ)庫下部與寬度比值，并且分別均利用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。常曉云(2016)利用FLAC3D模擬了恒定內(nèi)壓下不同腔形和高跨比的鹽巖儲(chǔ)庫的穩(wěn)定性，并認(rèn)為高跨比為7/3的橢球腔為最佳腔體。綜合來看，受限于儲(chǔ)庫建造環(huán)境的特殊，造成了研究方法的單一化，因此拓展不同的分析方法并驗(yàn)證其可靠性是以后研究的重點(diǎn)。

2.2.3 運(yùn)行內(nèi)壓及注采速率對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響

鹽巖儲(chǔ)庫腔體的運(yùn)行內(nèi)壓及注采速率對(duì)儲(chǔ)庫穩(wěn)定性的影響十分明顯，壓力過低時(shí)腔體在地應(yīng)力的影響下會(huì)發(fā)生較大的體積損失，從而影響其可用性，壓力過大時(shí)可能會(huì)破壞溶腔的密閉性，導(dǎo)致鹽巖損傷使得儲(chǔ)庫發(fā)生泄漏，因此合理地限制儲(chǔ)庫運(yùn)行內(nèi)壓是保證其穩(wěn)定的重要手段。目前判斷鹽巖儲(chǔ)庫溶腔的最小運(yùn)行內(nèi)壓的方法分別有：經(jīng)驗(yàn)判斷法、溶腔腔體體積損失率判斷法和剪脹損傷因子判斷法。俞超等[7]利用數(shù)值模擬方法，分析了不同恒壓和長期蠕變作用下運(yùn)行內(nèi)壓對(duì)含軟泥夾層鹽巖溶腔穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)較高的運(yùn)行壓力能有效減少腔體收縮，并且抑制腔周塑性區(qū)的發(fā)展，有利于鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性。有些學(xué)者在研究恒定內(nèi)壓對(duì)穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上考慮注采速率的變化的影響，賈超等(2012)、牛傳凱等(2013)認(rèn)為適當(dāng)降低注采速率可抑制腔體收縮，提高儲(chǔ)庫穩(wěn)定性；為保證儲(chǔ)庫的安全運(yùn)行，注采速率不能超過4.5m/s。

綜合來看在研究溶腔腔體運(yùn)行內(nèi)壓及注采速率對(duì)穩(wěn)定性影響時(shí)，通常首先會(huì)利用數(shù)值軟件分析不同內(nèi)壓下腔體周圍位移、腔周塑性區(qū)分布和腔體體積損失率，然后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷法、溶腔腔體體積損失率判斷法和剪脹損傷因子判斷法綜合考慮給出合適的運(yùn)行內(nèi)壓和注采速率。

2.2.4 夾層對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響

層狀鹽巖夾層的存在不僅會(huì)影響儲(chǔ)庫溶腔的建造，而且會(huì)對(duì)溶腔的長期運(yùn)營造成影響，因此夾層對(duì)儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響的研究就十分重要。該研究主要集中在鹽巖夾層本構(gòu)模型、力學(xué)模型及夾層固有特性的變化。尹雪英等[8]利用三維Cosserat介質(zhì)擴(kuò)展本構(gòu)模型通過FLAC3D對(duì)溶腔進(jìn)行靜力計(jì)算，結(jié)果表明泥巖夾層對(duì)鹽巖體具有約束和加筋作用，有利于儲(chǔ)庫穩(wěn)定性。而莫江等(2008)根據(jù)小撓度薄板彎曲理論，建立了鹽巖夾層力學(xué)模型，并給出了夾層內(nèi)部應(yīng)力的解析解，該理論為強(qiáng)度校核提供依據(jù)。在研究夾層特性變化對(duì)穩(wěn)定性影響時(shí)，俞超等(2012)和李二兵等(2014)均采用數(shù)值模擬方法研究了夾層軟硬變化和楊氏模量的改變對(duì)穩(wěn)定性的影響，并認(rèn)為隨著硬質(zhì)夾層厚度增大，而腔體體積收縮率明顯下降，但對(duì)于軟質(zhì)夾層卻略微增大；當(dāng)夾層楊氏模量變小時(shí)，腔體收縮變大，而夾層楊氏模量變大時(shí)，層狀鹽巖交界面處易發(fā)生滑動(dòng)，并建議在進(jìn)行鹽巖儲(chǔ)庫選址時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇兩者的楊氏模量和蠕變性相差不大的巖層。

3 國內(nèi)鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性研究與其他巖體不同，鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要考慮多種因素共同作用。對(duì)于這項(xiàng)系統(tǒng)工程的研究，吳文等(2005)首先系統(tǒng)地提出了鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)主要包括：穩(wěn)定性、密閉性和可使用性。韓琳琳等(2012)在分析了儲(chǔ)氣庫失事案例后，從穩(wěn)定性和密閉性2個(gè)方面提出了儲(chǔ)氣庫適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮各因素的影響，并且給出各因素在系統(tǒng)中所占的權(quán)重。但是在賦權(quán)時(shí)，并未給出依據(jù)，存在主觀因素。姜德義等[9]、張新生等[10]在進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，均先采用層次分析法建立了多層次多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，然后分別采用判斷矩陣、灰色關(guān)聯(lián)分析法、熵值法和模糊綜合評(píng)判法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值分配；其中利用灰色關(guān)聯(lián)分析法時(shí)由于分辨系數(shù)的不確定會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的不統(tǒng)一，而采用熵值法確定權(quán)重后，再使用集對(duì)分析確定穩(wěn)定性等級(jí)則可以避免人為主觀因素，計(jì)算結(jié)果較為客觀。而在以上學(xué)者的研究中均未考慮畸形溶腔的存在，實(shí)際上在溶腔水溶開采過程中，由于溶腔形態(tài)可見性差和可控難度大的原因，會(huì)形成畸形溶腔。李浩然等(2014)把變權(quán)和相對(duì)差異函數(shù)理論引入到穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，建立了畸形溶腔穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論。

綜合來看在進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究時(shí)，會(huì)首先利用層次分析法構(gòu)建多層次多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，然后利用判斷矩陣、灰色關(guān)聯(lián)分析、熵值法和模糊綜合評(píng)判法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值分配，其中灰色關(guān)聯(lián)分析帶有主觀因素，而熵值法更具有客觀性。

本文主要從夾層及交界面的基本力學(xué)特性、鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性影響因素和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行總結(jié)，可以看出無論是基本力學(xué)特性的研究還是穩(wěn)定性影響因素和評(píng)價(jià)，都需要開拓不同的理論和方法進(jìn)行研究。在進(jìn)行基本力學(xué)特性研究時(shí)，應(yīng)該注重室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合；對(duì)于層狀鹽巖交界面處的本構(gòu)模型建立有待提高；在進(jìn)行鹽巖儲(chǔ)庫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，可以綜合考慮多種因素綜合對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫破壞的作用、溶腔的破損程度和破壞后造成的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)影響，進(jìn)行評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建和權(quán)值分配；并且還應(yīng)致力于建立準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)、方便操作的穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。