盐岩地下储气库腔体收缩与地表变形时空转换机制研究

In China, natural gas storages in salt rock are going to be built in a large scale. This project is carried out aiming at the key scientific issue in surface deformation prediction above the natural gas storages. In order to realize the space-time development prediction of surface deformation, the methods of theory analysis, model tests, numerical simulation, and measured data feedback are used comprehensively. Main research contents are as follows: through widely investigation on the geological environment of salt rock, the typical geological features of overlying strata are summarized. Combined with the operation principle, process and safety requirements of the natural gas storage, typical formation conditions and running conditions are tried out. By using model tests and numerical simulation, the deformation mechanism of spatial response and conduction, as well as time response and conduction between adjacent strata are analyzed, and the characteristics and laws of spatial response and time response are received. Then, the initial prediction model is built, which can reflect the time-space development of the surface deformation. Based on the existing monitoring data of the surface deformation, the initial prediction model is tested and modified, and the modified prediction model can be obtained. The modified prediction model could be used to instruct the site selection, construction and safety evaluation of the natural gas storages in salt rock.

在我国盐岩地下储气库即将进入大规模兴建阶段的工程背景下，本项目紧紧围绕储气库库区地表沉降变形预测中的关键科学问题开展研究工作，以实现储库区地表变形的时空发展动态预测为研究目标，采用理论分析、模型试验、数值分析以及实测数据修正相结合的综合方法进行分析研究。主要研究内容为：通过广泛调研盐岩赋存的地质环境，总结储气库上覆岩层的典型地质特征，结合储气库运行原理、过程及相关的安全运营要求，提炼出多种具有代表性的储气库地层条件及运行工况；采用试验研究与数值分析相结合的方法，进行相邻岩层间变形的空间和时间响应及传导机制分析，得到相应的空间及时间响应特性及传导规律；建立关于库区地表变形时空发展的初步预测模型，利用研究基础中既有的储气库地表变形过程监测数据，对所建立的模型进行检验并修正，得到改进的地表变形时空发展预测模型，用于指导我国储气库的选址、建设及安全评价。

本研究针对盐岩地下储气库在建设和运营过程中可能引发的库区地面沉降现象，围绕库区地表变形的发生机理、发展规律、时空影响因素及预测模型的建立展开，以实现储库区地面沉降的时空动态预测为目标，采用理论分析、模型试验、数值模拟以及敏感性分析相结合的综合方法进行分析研究。主要研究内容如下：首先，根据我国盐岩地下储气库赋存的特殊地质环境，分析了盐岩储气库区地表沉降的特点、变形产生的原因、沉降发展的过程、沉降发展的空间因素和时间因素，提出了地面沉降时空预测模型建立的思路；接着，分析了影响库区地面沉降的主要空间影响因素及其作用机理和规律，采用单敏感性因素分析法结合数值模拟计算方法，选择具有代表性的储气库地层参数及运营工况，建模分析以上各影响因素对地表变形量的作用规律，并得到各因素与地表变形量之间的敏感性系数，找出影响库区地表变形的敏感性因素，以便在预测模型中予以反映；然后，从库区地表沉降曲线的形态入手，并针对储气库腔体收缩与地表变形之间的关系进行研究，发现其内在规律，选取高斯函数对单腔储气库地表沉降盆地的剖面曲线进行拟合，提出了一种类似于隧道地面沉降Peck曲线的沉降预测方法，建立了库区地面沉降的空间预测模型；然后，考虑地表沉降随时间的变化发展，通过引入稳态蠕变阶段盐腔体积收缩解析解，求得了库区地面年沉降速率预测的解析公式，建立了盐穴储气库地表沉降的时空预测模型；最后以湖北云应盐矿区某规划盐腔储库为例，将模型预测结果与数值模拟计算结果进行比较，校验了该模型的预测精度，证明了其可行性。本研究针对盐岩地下储气库腔体收缩与地表变形时空转换机制进行了细致研究，为盐岩地下储库运营期间库区的地表沉降预测提供了简便可靠的预测方法，对于盐岩地下储库的长期安全运营及矿区环境保护具有重要的指导意义。