国内盐岩储库稳定性分析及评价研究进展

王伟超，朱高房

(1.河南理工大学研究生院，河南焦作454003；2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003)

1 概述

能源储备对国家经济社会发展起着重要的战略支撑作用，而国外大多数国家将盐岩溶腔作为理想的能源储备场所，是因为其具有较低的渗透性、损伤自恢复性、良好的密闭性、造腔成本低的优点。国外的盐岩腔体多建于盐岩层较厚的盐丘上，而我国的盐岩层较薄，并且在盐岩层之间多夹杂着泥岩、石膏岩和钙芒硝等岩层，地质条件较为复杂，所以研究不同地区盐岩的力学特性和盐岩储库稳定性是必要的。随着我国在江苏金坛建造了首个盐岩储库群，伴随其的各种关于盐岩力学特性和盐岩储库的研究也相应的展开，本文将会对国内盐岩储库稳定性分析及评价研究进行分类整理，归纳出盐岩储库稳定性研究的一般方法和结论，为今后进一步研究盐岩储库稳定性打下基础。

2 国内盐岩储库稳定性分析研究进展

由于盐岩储库建造环境的特殊性，所以在分析盐岩储库稳定性时大多会先研究盐岩的力学特性，并得出其基本力学参数，然后利用数值模拟的方法分析盐岩储库的稳定性。国内关于盐岩储库稳定性分析的研究主要包括：一是夹层及交界面基本力学特性影响研究，通常包括夹层特征对盐岩物理和力学特性的影响及层状盐岩交界面处力学特性分析。二是盐岩储库稳定性影响因素研究，如所建储库的埋深、几何形状、运行内压与注采速率、盐岩所含夹层。

2.1 夹层及交界面的力学特性研究进展

与国外盐丘不同，我国盐矿多为层状盐岩，并且夹层数目、厚度以及软硬均不一样，因此对于不同夹层特征对盐岩物理力学特性影响的研究也是盐岩储库稳定性研究的重点。

2.1.1 夹层特征对盐岩物理特性影响

盐岩渗透性研究可以为盐岩储库的稳定性和密闭性研究提供指导。国内学者对于渗透性主要从影响因素、微观和宏观出发。王新志等[1]把影响渗透性因素分为内因和外因2个方面，但其仅对渗透性因素做了划分，并未进行深层次研究。从微观角度研究，通常采用电镜扫描盐岩体及其夹层的微观结构进行研究；而从宏观角度分析，通常会测定盐岩渗透率，测定方法分别有：稳态法、周期加载法和非稳态压力脉冲衰减法（或称瞬态气测法[2]），对于测定较低渗透性岩石的渗透率一般采用非稳态压力脉冲衰减法。刘伟等[2]利用瞬态气测法分析三轴压缩下盐岩渗透性，认为加压使损伤后的盐岩渗透性恢复较低水平；但在盐岩扩容边界研究时，未能测到完整的扩容边界。通过以上研究发现，无论是微观还是宏观进行分析盐岩渗透性，在获取盐岩试件过程中，取芯和加工会对试件产生损伤，为消除损伤通常先在静水压力中压缩，但是关于静水压力的选择与作用时长和盐岩压缩的扩容边界的研究较少。

2.1.2 夹层特征对盐岩力学特性影响

国内学者经过研究发现利用现场取芯获得含有不同含量、数目和间距夹层的盐岩是不可行的，且现场取芯也会对岩芯造成扰动，所以开始另辟蹊径利用制备型盐来研究夹层特征对盐岩力学特性的影响。其中姜德义[3]利用该方法研究含弱夹层盐岩型盐力学特性，认为不同的夹层厚度比和夹层分布会对含软弱夹层盐岩型盐的变形、破坏和力学参数产生影响。盐岩夹层在层状盐岩中不仅是含量、数目和间距有变化，有时也会出现角度上的倾斜。刘伟等(2013)研究了含倾斜夹层盐岩体的变形与破坏特性，通过研究发现倾斜夹层不同位置处其破坏形式也不同。综合来看利用制备型盐的方法来研究夹层特征对盐岩力学特性的影响是可行的，并且该方法还为在室内研究层状盐岩基本特性提供了一种新途径。

2.1.3 层状盐岩交界面力学特性

盐岩储库在长期运行中，因为盐岩和夹层的弹性模量和泊松比相差较大，因此会产生不协调变形，进而导致交界面处产生破裂，溶腔内的石油或者天然气会沿着破裂面泄漏，会对储库的安全造成威胁。因此，层状盐岩交界面处的力学特性的研究为分析盐岩储库的稳定性和密闭性提供了重要的参考依据。李银平等[4]、刘伟等(2013)分别通过直剪试验、电镜扫描试验，发现层状盐岩交界面具有良好的粘结力，并认为该结果有利于盐岩储库的密闭性。直剪试验和电镜扫描试验是分别从宏观和细观两个角度出发，而对于交界面处的变形与破坏规律的研究不足；还有一些学者利用数值模拟和建立不同的界面剪切强度模型分析交界面处的力学特性。综合来看对于盐岩交界面的研究主要集中在力学特性和变形与破坏特征的研究，而对于交界面处的本构模型的研究较少。

2.2 盐岩储库稳定性影响因素研究进展

盐岩储库的稳定性是指单个溶腔的局部稳定性以及溶腔群的整体稳定性，在稳定性研究中可以分为盐岩储库稳定性影响因素分析和稳定性评价。国内学者在进行盐岩储库稳定性研究时，不但对夹层及交界面的力学特性进行分析，而且还会研究盐岩储库建造和运行过程中影响稳定性的因素。综合盐穴形和水平形2种不同类型的盐岩储库发现在研究稳定性影响因素时，通常会从以下方面进行分析：盐岩储库的埋深、几何形状、腔体运行内压及注采速率、盐岩夹层。

2.2.1 埋深对盐岩储库稳定性影响

我国盐岩分布广泛、多含夹层并且埋深差异也较大。盐岩储库埋深较浅时，其受到的地层压力较小，但是更容易受到地面活动的影响，并且盐岩储库一旦发生泄漏会给附近居民和环境带来很大的危害；当盐岩储库埋深较深时，其会受到很大的地应力作用，在长期作用下容易发生蠕变从而造成溶腔有效体积减小，使得溶腔失效，因此合理的埋深对盐岩储库稳定性是至关重要的。

鉴于盐岩储库的特殊性在研究埋深的影响时通常采用数值模拟方法，国内学者梁光川等[5]、杨花(2009)、尹雪英等(2012)利用FLAC3D研究盐岩储库埋藏深度的变化对盐岩储库稳定性的影响，通过改变盐岩储库模型上层施加的压力来模拟不同埋藏深度，研究发现在保持溶腔内压不变情况下，随着埋藏深度的增加，溶腔位移近似呈直线增长，并且腔周破损区也在逐渐扩大，当埋藏深度达到一定值时，盐岩储库会发生变形破坏；并且还认为当埋深增加时可以通过提高运行内压来提升储库稳定性。通过以上研究可以发现因为研究环境的特殊，所以研究方法较为单一，但是对于在大埋深下提升储库稳定性时只考虑了运行内压一种情况，还可以从溶腔的几何形状进行分析。

2.2.2 几何形状对盐岩储库稳定性的影响

在建造盐岩储库时，溶腔的形状和高跨比对盐岩储库运行期间的内压的设定、腔周流变位移和腔体体积收缩率等对盐岩储库稳定性指标均有显著影响。国内一些学者在研究溶腔几何形状对储库稳定性影响时，通常采用理论推导和数值模拟2种方法。陈剑文等[6]通过对盐岩储库周围岩体微元体受力分析推导出了高跨比与地应力关系，利用圆弧滑动法分析了储库下部与宽度比值，并且分别均利用数值模拟进行验证。常晓云(2016)利用FLAC3D模拟了恒定内压下不同腔形和高跨比的盐岩储库的稳定性，并认为高跨比为7/3的椭球腔为最佳腔体。综合来看，受限于储库建造环境的特殊，造成了研究方法的单一化，因此拓展不同的分析方法并验证其可靠性是以后研究的重点。

2.2.3 运行内压及注采速率对盐岩储库稳定性影响

盐岩储库腔体的运行内压及注采速率对储库稳定性的影响十分明显，压力过低时腔体在地应力的影响下会发生较大的体积损失，从而影响其可用性，压力过大时可能会破坏溶腔的密闭性，导致盐岩损伤使得储库发生泄漏，因此合理地限制储库运行内压是保证其稳定的重要手段。目前判断盐岩储库溶腔的最小运行内压的方法分别有：经验判断法、溶腔腔体体积损失率判断法和剪胀损伤因子判断法。俞超等[7]利用数值模拟方法，分析了不同恒压和长期蠕变作用下运行内压对含软泥夹层盐岩溶腔稳定性的影响，研究发现较高的运行压力能有效减少腔体收缩，并且抑制腔周塑性区的发展，有利于盐岩储库稳定性。有些学者在研究恒定内压对稳定性影响的基础上考虑注采速率的变化的影响，贾超等(2012)、牛传凯等(2013)认为适当降低注采速率可抑制腔体收缩，提高储库稳定性；为保证储库的安全运行，注采速率不能超过4.5m/s。

综合来看在研究溶腔腔体运行内压及注采速率对稳定性影响时，通常首先会利用数值软件分析不同内压下腔体周围位移、腔周塑性区分布和腔体体积损失率，然后结合经验判断法、溶腔腔体体积损失率判断法和剪胀损伤因子判断法综合考虑给出合适的运行内压和注采速率。

2.2.4 夹层对盐岩储库稳定性影响

层状盐岩夹层的存在不仅会影响储库溶腔的建造，而且会对溶腔的长期运营造成影响，因此夹层对储库稳定性影响的研究就十分重要。该研究主要集中在盐岩夹层本构模型、力学模型及夹层固有特性的变化。尹雪英等[8]利用三维Cosserat介质扩展本构模型通过FLAC3D对溶腔进行静力计算，结果表明泥岩夹层对盐岩体具有约束和加筋作用，有利于储库稳定性。而莫江等(2008)根据小挠度薄板弯曲理论，建立了盐岩夹层力学模型，并给出了夹层内部应力的解析解，该理论为强度校核提供依据。在研究夹层特性变化对稳定性影响时，俞超等(2012)和李二兵等(2014)均采用数值模拟方法研究了夹层软硬变化和杨氏模量的改变对稳定性的影响，并认为随着硬质夹层厚度增大，而腔体体积收缩率明显下降，但对于软质夹层却略微增大；当夹层杨氏模量变小时，腔体收缩变大，而夹层杨氏模量变大时，层状盐岩交界面处易发生滑动，并建议在进行盐岩储库选址时应优先选择两者的杨氏模量和蠕变性相差不大的岩层。

3 国内盐岩储库稳定性评价研究进展

盐岩储库稳定性研究与其他岩体不同，盐岩储库稳定性是一个系统工程，需要考虑多种因素共同作用。对于这项系统工程的研究，吴文等(2005)首先系统地提出了盐岩储库稳定性评价标准，并认为该标准主要包括：稳定性、密闭性和可使用性。韩琳琳等(2012)在分析了储气库失事案例后，从稳定性和密闭性2个方面提出了储气库适用性评价标准，该标准综合考虑各因素的影响，并且给出各因素在系统中所占的权重。但是在赋权时，并未给出依据，存在主观因素。姜德义等[9]、张新生等[10]在进行稳定性评价时，均先采用层次分析法建立了多层次多指标评价体系，然后分别采用判断矩阵、灰色关联分析法、熵值法和模糊综合评判法对各指标进行权值分配；其中利用灰色关联分析法时由于分辨系数的不确定会造成计算结果的不统一，而采用熵值法确定权重后，再使用集对分析确定稳定性等级则可以避免人为主观因素，计算结果较为客观。而在以上学者的研究中均未考虑畸形溶腔的存在，实际上在溶腔水溶开采过程中，由于溶腔形态可见性差和可控难度大的原因，会形成畸形溶腔。李浩然等(2014)把变权和相对差异函数理论引入到稳定性评价系统中，建立了畸形溶腔稳定性评价理论。

综合来看在进行稳定性评价研究时，会首先利用层次分析法构建多层次多指标评价体系，然后利用判断矩阵、灰色关联分析、熵值法和模糊综合评判法对各指标进行权值分配，其中灰色关联分析带有主观因素，而熵值法更具有客观性。

本文主要从夹层及交界面的基本力学特性、盐岩储库稳定性影响因素和稳定性评价进行总结，可以看出无论是基本力学特性的研究还是稳定性影响因素和评价，都需要开拓不同的理论和方法进行研究。在进行基本力学特性研究时，应该注重室内试验和数值计算相结合；对于层状盐岩交界面处的本构模型建立有待提高；在进行盐岩储库稳定性评价时，可以综合考虑多种因素综合对盐岩储库破坏的作用、溶腔的破损程度和破坏后造成的社会及经济影响，进行评价体系的构建和权值分配；并且还应致力于建立准确、实用性强、方便操作的稳定性综合评价标准。