流变-疲劳耦合效应下盐矿水平溶腔失稳机理

Because of favorable properties such as chemical stability and low permeability, salt caverns used as compressed air energy storages (CAES) have become one of the most trending topics regarding large-scale energy storages technologies in the world. The analysis of the salt rock damage’ evolution law as well as the instability mechanism of cavern structures under the effect of frequent injection-relaxation of compressed air is a fundamental requirement for CAES salt caverns long-term stability assessment. Based on horizontal salt deposits and the CAES load pattern, this study included laboratory tests, a theoretical analysis and numerical simulations conducted on the caverns close surrounding rock in order to determine the instability mechanism of salt caverns under the coupled effect of rheology and fatigue. Fisrtly, the scanning electron microscope was used to obtain a general dilatancy boundary of the bedded salt rock through the observation of the difference occurring before and after dilatancy within the surrounding rock micro-structure. Secondly, the elastic-plastic behavior and the damage evolution were explored experimentally, and the damage model was then developed. Based on the geometric modelling of horizontal salt caverns, the limit equilibrium state of the cavern structure was defined and the instability criteria were developed. Finally, via numerical simulation with the new constitutive model, the instability mechanism of salt caverns under the coupled effect of rheology and fatigue was unveiled, therefore helping to assess the long-term stability of CAES salt caverns.

利用盐矿溶腔围岩良好的化学稳定性与低渗性，建造压气蓄能储气库，是国内外大规模储能的重要课题之一。探明频繁注排气作用下盐矿溶腔围岩的损伤演化规律与腔体结构的失稳机理，是评价压气蓄能盐腔长期稳定性的关键。本研究立足于我国水平层状盐矿的基本特点和压气蓄能荷载模式，对盐矿水平溶腔近场围岩开展室内测试、理论分析、数值模拟，以期揭示流变-疲劳耦合效应下盐矿水平溶腔的失稳机理。首先，采用电镜等观测手段，观察分析扩容前后围岩结构差异性，探明层状盐岩扩容边界。其次，通过流变-疲劳耦合室内试验，探索围岩弹塑性力学行为与损伤演化规律，构建流变-疲劳耦合损伤本构模型。然后，基于盐矿水平溶腔几何建模，分析腔体结构的极限平衡状态，建立盐腔结构整体失稳判据。最后，通过数值建模，嵌入本构模型，揭示盐矿溶腔流变-疲劳耦合效应下的全过程失稳破坏规律，为评价压气蓄能盐腔长期稳定性提供支撑。

能源是国民经济发展的基石，能源结构直接关系到国民经济的高质量与可持续发展。2020年12月中国提出“双碳”建设目标，将风能、太阳能灯作为重要的清洁能源，近年来得到了快速的发展。目前可再生能源发展的首要任务是解决电力消纳问题，即增加储能设施的建设。盐岩具有渗透性低、蠕变性好、损伤自恢复等特点，被认为是气体储存的理想介质。利用盐穴进行储能（如天然气或压缩空气）的关键技术问题之一是保证储存高压气体的地下盐岩溶腔具有长久的稳定性。.本项目经过3年的持续研究，开展了压气蓄能模式下盐矿水平溶腔的围岩力学特性研究。结果发现：盐岩的蠕变率在第一个小时的高应力平台期呈指数下降趋势，降低趋势逐渐减缓。蠕变率在第一个蠕变-疲劳作用交替期出现跳跃，表明疲劳对蠕变有催化作用。进入试验周期的最后20%后，盐岩的蠕变率增加，盐岩试样进入加速蠕变阶段，此时盐岩内部的微裂缝迅速发展，断裂面逐渐扩大，形成宏观断裂面。在进入试验周期的最后5%后，蠕变速率呈现出指数上升的趋势。随着围压的增加，盐岩蠕变总应变呈现出增加的趋势。这是因为随着约束压力的增加，原本被应力破坏的松散盐岩颗粒被压紧，内部裂隙封闭得更加彻底，可以产生滑移的裂隙面被锁定，自愈效果增强，盐岩结构更加稳固。残余应变差值随着围压的上升呈现出指数下降的趋势并且下降的速度减慢。因为相比于间歇疲劳，蠕变阶段盐岩被压得更加紧密。随着围压的增加，即使因为高应力产生的塑性流动发生了较大的变形，也很难出现破坏。在盐岩的蠕变-疲劳试验中，围压的影响达到一个阈值（12~16MPa）。.上述研究结果能够对评估盐矿水平溶腔的中长期稳定性，解决盐矿水平溶腔用于压气蓄能的安全稳定问题，为我国压气蓄能电站的建设与盐矿溶腔的综合利用提供基础支持。