密集储库群覆岩变形和地表沉陷动态预测

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由于岩盐具有良好的低渗透性、力学稳定性以及损伤自愈性,利用岩盐地层建设地下油气储库群已成为各国发展能源储备的重要方向。我国目前对岩盐地下储库的研究主要集中在地下储库的稳定性评价以及建造工艺等相关领域,尚未对盐穴地下储库群建设运营造成的库区地面变形进行系统性的研究。然而,众多已有盐穴地下储库群地面沉降监测和灾变实例表明地下储库建设运营期间所致的地面变形已成为导致地下储库事故发生的重要诱因之一,引起了相关工程技术人员的极大关注与重视。本文以西气东输金坛盐穴地下储库群为工程背景,针对密集盐穴地下储库群覆岩变形与地面沉降预测的特点,采用理论分析、数值计算与现场监测相结合的研究方法,系统性地对密集盐穴储库群地面沉降预测理论与方法进行了较为深入的研究,主要研究内容及结论如下:  1.通过对比分析各种开采方式下矿区地面沉陷特点,考虑到岩盐体本身所具有的流变性质,提出盐穴储库区覆岩变形与地面沉降的主要原因是岩穴腔体所发生的持续收敛。该收敛效应在经过上覆岩层的传递与折减后,最终将以一定的传播角度到达地面,在一定范围内形成具有典型沉陷盆地特征的地面沉降区,从而揭示了岩盐储库区覆岩变形与地面沉降发生的机理。  2.基于上述地面变形发生机理,建立了不同形状腔体的围岩收敛体积与地面沉降体积的函数关系,发展成了一套适用于岩盐储库区地面沉降预测的传递函数法。通过对不同腔形、不同腔群分布以及不同腔间距的对比研究,提出了盐穴地下储气库的优化设计方案。  3.根据盐穴储库建设运营的实际情况,提出了两阶段腔体时效收敛传递模型,并综合考虑多种时效因素,建立了不同工况下两阶段腔体时效收敛函数;利用定义的收敛传递函数关系,结合地面沉降高斯曲线以及变形迭加原理,构建了一套完整的密集岩盐储库区地面变形动态预计方法。  4.综合考虑了温度与压力对盐穴储库腔体收敛的影响,针对储库运营期间存在的循环加卸载以及热交换实际工况,建立起了考虑气体平均温度与循环压力的腔体时效收敛计算模型,并描述了所需计算参数的物理意义以及确定方法。  5.利用有限元数值模拟软件,采用流变本构模型,建立二维数值分析模型,对影响储库区地面沉降发展演化的各种因素进行了规律性分析。  6.基于盐穴腔体收敛传递预测模型,利用盐穴库区高精度地面沉降实测数据,提出了一种简便易行、安全可靠的盐穴储库群变形反演分析方法。利用现场实测数据,对金坛储库群腔体收敛变形进行了反演计算,直溪桥井区与东岗井区的盐腔储库3年收敛变形均在可控范围内,蠕变收敛未造成严重的库容减少。  7.利用多种监测手段,如二等水准监测、GPS监测以及PSI监测,对储库区较大范围进行了为期三年的持续监测,获得了该区域详细的地面变形监测数据,掌握了储库区地面变形所具有的空间差异性和时间波动性。  8.针对不同时间参数组合进行多次试算,比对试算结果与现场实际监测结果,获得了金坛储库区地面沉降动态预测所需的时间参数。利用该时间参数,对金坛储库区进行了较大时间尺度的地面沉降预测。结果表明,库区沉降量虽在逐年增加,但是增幅不大且增长速率呈下降趋势,储库运营100a后中心最大沉降量对地面造成的影响也并不严重。但随着库区储气腔体数量的增加将加剧库区沉降,必须做好现场长期监测,掌握库区地面变形变化规律。
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