不同卸荷速率下盐岩强度特性及储气库最大采气速率研究

The maximum withdrawal rate is the key operating parameter for underground gas storage(UGS) in salt cavern. The function of peaking can not be performed fully if withdrawal rate is too small, and if the rate is much greater, cracks will grow in the surrounding rock, and then salt cavern would collapse partly ,or even overall. For the aim of the maximum withdrawal rate of UGS in salt cavern, researches will be performed on the strength property of salt rock in different unloading rates. First, unloading tests of different unloading rates will be carried on to study the yield surface property, compaction-dilatation boundary and the peak strength criterion in unloading condition. The effect of unloading rate to yield, dilatation and failure will be analyzed. Based on the analysis, the yield-dilation-failure composite strength model will be built, and the composite strength model will be checked and revised through numerical unloading experiments. Based on the self-defined composite strength model, long-term stability simulations under different withdrawal rates will be performed to analyze the spatial-temporal evolution rule of dilatation-failure zone of UGS wall. The stability of surrounding rock and convergence of salt cavern will be studied. At last, stability criterion of surrounding rock will be given for the design of maximum withdrawal rate. Research results will be used for the design standard of maximum withdrawal rate, and it is important for the security of UGS in salt cavern.

最大采气速率是盐穴储气库安全高效运行的关键参数，采气速率过小不能充分发挥储库的调峰作用，采气速率过大将会导致腔体围岩裂纹扩展、局部失稳、甚至腔体垮塌，严重影响储气库的运行安全。本项目紧紧围绕盐穴储气库最大采气速率设计这一目标，针对不同卸荷速率下盐岩的强度特性开展研究。首先，开展不同卸荷速率下的卸荷试验，分析卸荷条件下盐岩的屈服面特征、压缩扩容边界以及峰值强度规律；其次，揭示不同卸荷速率对屈服、扩容和破坏的影响规律，建立考虑卸荷速率影响的屈服-扩容-破坏复合强度模型；并通过三轴卸荷数值实验，对模型进行验证和修正。最后，基于修正的自定义复合强度模型，开展不同采气速率下的储气库长期稳定性模拟，揭示储气库围岩扩容-破坏区的时空演化规律，分析不同卸荷速率下腔体围岩稳定性及体积收缩情况，建立基于扩容-破坏区的围岩稳定性判断准则。研究成果为储气库最大采气速率设计提供支撑，对储气库的安全运行具有重要意义。

最大采气速率是盐穴储气库安全高效运行的关键参数，采气速率过小不能充分发挥储库的调峰作用，采气速率过大将会导致腔体围岩裂纹扩展、局部失稳、甚至腔体垮塌，严重影响储气库的运行安全。本项目紧紧围绕盐穴储气库最大采气速率设计这一目标，针对不同卸荷速率下盐岩的强度特性开展研究。首先，开展了高温高压条件下的单三轴试验，确定了盐岩的基本力学特性及参数，并根据试验结果确定了循环加卸载的试验参数；然后开展了单三轴循环加卸载试验，分析了加载和卸载条件下盐岩表现出的力学差异，结果显示加卸载应力-应变曲线的差异是由盐岩的蠕变特性引起的。随后，将蠕变性质引入到了循环加卸载的力学响应分析之中，揭示了位移控制下的应力-应变曲线峰值的意义，认为峰值并不是强度，而是为了适应某一试验机控制速率下的应力调整转折点。揭示了盐岩在加卸载条件下的屈服面特征、压缩扩容边界以及峰值强度规律，以及不同卸荷速率对屈服、扩容和破坏的影响规律，并建立了考虑卸荷速率影响的屈服-扩容-破坏复合强度模型；并通过三轴卸荷数值实验，对模型进行验证和修正。最后，基于修正的自定义复合强度模型，开展了不同采气速率下的储气库长期稳定性模拟，揭示了储气库围岩扩容-破坏区的时空演化规律，分析了不同卸荷速率下腔体围岩稳定性及体积收缩情况，建立了基于弹性-塑性-扩容-破坏区的围岩稳定性判断准则。并以潜江储气库为例，建立了潜江储气库地质模型，根据自定义本构，开展了不同内压条件下潜江储气库围岩分区情况。结果显示，长期条件下，潜江储气库的最低运行压力为17MPa，紧急工况下，最低运行压力可以为11MPa，但不建议长期运行，应在短期内尽快补气至长期最低运行压力。研究成果为储气库最大采气速率设计提供支撑，对储气库的安全运行具有重要意义。