盐穴储气库天然气多流态流动传热耦合效应研究

The thermodynamics states (temperature and pressure) changes caused by natural gasflow and heat transfer are important factors affecting cavern stability analysis,injection production strategy regulation and storage performance for salt cavern underground gas storage. With natural gas in salt cavern gas storage flow and heat transfer process as the study object, by using the method of theoretical analysis, numerical calculation and physical simulation of the combined; the dynamic injection-production operation thermodynamics mathematical models complex with spatio-temporal conditions of salt cavern gas storage are established; multi fluid flow distribution and the coupling mechanism with heat transfer process of natural gas in storage are explored; the coupling effect of pressure field, temperature field, velocity field and temperature field in storage and surrounding rock is clarified; the influence of the coupling effects on thermodynamics state of gas storage is studied; thermodynamic parameters characteristics of storage injection-production operation is mastered; the theoretical reference basis is provided for stability analysis, operation control, strategy risk assessment of salt cavern gas storage. This study will further enrich research connotation of gas storage system, perfect thermodynamic analysis theory of gas storage and storage system basic theory. It has important significance to improve the level of salt cavern gas storage application and to promote the technology development of strategic reserves in underground salt rock.

天然气流动传热引起的盐穴储气库热力状态改变是储气库溶腔稳定性分析、注采策略调控及储库储采性能的重要影响因素。本课题以盐穴储气库天然气流动和传热过程为研究对象，通过理论分析、数值计算与物理模拟相结合的方法，建立复杂时空条件下盐穴储气库注采运行热力动态数学模型，探索储气库天然气多流态流动分布规律及其与传热过程耦合的作用机制，阐明储气库井筒溶腔内部压力场、温度场、速度场及围岩温度场间的耦合效应，研究该耦合效应对储气库热力状态的影响，掌握储气库注采运行热力参数特性规律，为盐穴储气库的稳定性分析、运行策略调控、风险评估等提供理论参考依据。本课题研究将进一步丰富储气库内涵，完善储气库热力学分析理论及储气系统基础理论，对提高盐穴储气库应用水平及推动地下盐岩战略储备技术发展具有重要意义。

地下储气库集季节调峰、事故应急供气、能源战略储备功能于一体，是国家能源基础性设施。我国天然气储存与调峰矛盾日益突出，盐穴储气库以其良好的存储特性及注采工作特点在天然气调峰及供气安全保障方面发挥着重要作用。.本项目围绕天然气流动耦合传热的科学问题，建立盐穴储气库天然气流动传热耦合数学模型，模拟研究注采策略及运行模式对储气库内部动力学与热力学参数分布以及储气库存储、工作能力的影响，揭示了盐穴储气库天然气多流态流动与热量传递过程的耦合机理。研究结果表明，储气库内天然气流动为典型的点源与点汇流态，注气喷射作用对其动力学与热力学参数分布的影响显著于采气抽吸作用；降低注采速率可有效提高储气库存储和工作能力；注采气间应设置合适的静置存储过程，可储气库天然气状态的改变起到调节与缓冲作用；正常调峰模式有利于发挥盐穴储气库调峰能力强、吞吐量大的优点。. 对淮安楚州盐矿样品进行了盐岩蠕变三轴实验，研究分析了偏应力与温度对其蠕变特性的影响效应，模拟研究了不同注采运行模式储气库围岩蠕变过程及溶腔体积收敛特性，分析了溶腔热力学状态变化对其稳定性及储气库存储、工作能力的影响。研究结果表明，溶腔围岩位移主要体现为中部逐渐向内发展，底部向上发展以及顶部下沉，溶腔呈整体收敛趋势，围岩横向位移明显大于纵向，溶腔顶部稳定性明显优于溶腔底部，椭圆形状与圆锥形状的稳定性优于圆柱形。不同注采策略及运行模式对溶腔稳定性的影响差异显著，项目模拟条件下的平稳注采和应急注采运行30年后，溶腔体积收敛率分别为9.9%和4.1%。应急注采运行模式相应设置的长时间静置存储和小速率注气阶段有效抑制了盐岩溶腔的整体蠕变进程，使得储气库长期运行的稳定性明显提高。.本项目研究成果可进一步丰富我国储气库热力学分析及储气系统基础理论，为我国盐穴储气库的规划建设、稳定维护和高效运营提供理论基础和依据，对提高储气库运营水平及推动地下盐岩战略储备技术发展具有重要意义。