盐穴地下储氢库稳定性研究.pdf
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1、盐穴地下储氢库稳定性研究刘冰冰冯进千武志德丁国生张冰童姬振兴(.中国石油勘探开发研究院北京.中国石油天然气集团公司 油气地下储库工程重点实验室河北 廊坊.华北科技学院河北 廊坊)摘 要:在当前碳达峰、碳中和的大背景下为充分挖掘氢能对净零排放的重要贡献潜力满足未来新能源战略储备需求急需开展大规模氢气地下储存研究 文章以国内已建某盐穴储气库为背景基于流固耦合理论分析盐穴地下储氢库实际注采运行条件下的稳定性及密封性表现 结果表明:盐岩结构致密孔隙度和渗透率极低对大规模氢气地下存储十分有利 盐穴储氢库运行期间围岩整体呈向内收缩趋势夹层处变形形状不规则 内压恒定、顶板下沉量为.、.、.采气期间腔体体积收
2、缩较快运行 体积收缩率为.腔体中上部及顶部渗透率明显增大运行 围岩最大渗透率增长约 倍 高频率注采会对盐岩造成损伤导致渗透率明显增高氢气具有沿腔体中上部裂隙流动趋势 研究结果为氢气地下存储技术可行性及安全性提供有益借鉴关键词:氢气地下储氢盐穴储气库流固耦合稳定性中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:刘冰冰()男黑龙江佳木斯人硕士现主要从事地下储气库稳定性评价方面的研究工作联系方式:.(.):.盐科学与化工 第 卷 第 期 年 月 .:前言氢气是一种清洁、零碳的二次能源具有能量密度大、获取方式多样、利用率高等优点 作为未来理想的清洁能源载体氢能是最有希望取代传统化石燃料的能源
3、将成为第三次能源变革的重要媒介 然而光伏、风电等可再生能源制取氢能的方法存在间歇性与波动性需要发展大规模的存储技术充当氢能制取与利用环节间的桥梁 目前常规的储氢方式有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢及有机物液体储氢 在当前碳达峰碳中和的大背景下为充分挖掘氢能对净零排放的重要贡献潜力满足未来新能源战略储备需求急需开展大规模氢能储存研究地下储氢技术由于储存规模大综合运行成本低安全性高等优点在国际上已得到广泛关注盐岩作为能源储存的一种理想介质具有低渗透性、良好的密封特性及损伤自修复功能能够保证储库的密封性和长期稳定性是石油、天然气地下存储以及核废料地下封存的主要介质同时也将成为未来氢能地下存储的
4、重要方式 目前美国、英国、德国、荷兰和丹麦等国家均开展了利用地下盐穴储氢作为大规模储氢库的相关研究氢气作为自然界最小的分子具有扩散速度快、低密度、低粘度等特性在地下注采过程中对地质体密封性及注采期间围岩稳定性提出重要考验我国已开展大量盐穴储气库相关研究但由于氢气同天然气分子相比差异较大盐穴地下储氢库注采运行的稳定性和密封性需经过专门论证 文章以国内已建某盐穴储气库地质资料为背景基于流固耦合理论分析盐穴地下储氢库实际注采运行条件下的稳定性及密封性表现为氢气地下存储技术可行性及安全性提供有益借鉴 模型与参数.地质模型参考国内已建某天然气盐穴地下储气库相关背景资料根据该地区储气库真实地质资料建立数值
5、模型图 为模型纵剖面示意图图 为模型网格剖分示意图 腔体形状采用上大下小的梨型溶腔该形态溶腔最符合稳定性要求同时也适合容纳不溶物杂质堆积在腔底形成的残渣 建库层段盐岩层整体厚度 其中预留顶板.底板 建腔 腔体 整 体 高 宽 由 顶 部 长 半轴 短半轴 的半椭球体和底部半径 的半球体组成体积.中心埋深位于地下 腔体上、下两部分均有夹层穿过分别位于地下 和 处厚度分别为.和 根据模型顶部地层实际埋深 施加模型顶部上覆地层压力为.对模型底面施加垂直方向简支约束四个侧面施加各面法线方向的简支约束不允许其产生法向移动上覆载荷19.6 MPa泥岩火层3.5 m盐岩53 m泥岩203 m盐岩64 m泥岩
6、夹层3 m盐岩42 m泥岩150 m图 某储气库地质剖面及拟建储氢库示意图.图 模型网格剖分纵剖面示意图.刘冰冰等:盐穴地下储氢库稳定性研究.计算理论与力学参数数值模拟力学计算理论采用 强度理论 该理论是一种剪应力强度理论较全面地表征了岩石的破坏特征同时适用于塑性岩石和脆性盐岩的剪切破坏也反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性 假设压应力为负拉应力为正则 强度条件的屈服函数为:()式中:粘聚力 内摩擦角 盐岩的抗拉强度蠕变模型采用 模型该模型结合了粘弹性双组分 模型和 弹塑性模型的行为更好地描述了岩石稳态蠕变阶段蠕变率随时间指数增长的现象表达式如下:()式中:稳态蠕变率、蠕变常数 应力 第二
7、应力偏量不变量通过室内岩石力学实验获得建库地区盐岩和泥岩的数值模拟参数(表)表 数值模拟力学参数.岩性密度/()弹性模量/粘聚力/内摩擦角/泊松比抗拉强度/蠕变常数蠕变指数盐岩.泥岩.泥岩夹层 .氢气地下存储的稳定性研究在借鉴已有天然气地下储气库建设经验的基础上需要充分考虑氢气与天然气分子的特性对比二者标况下常规物理性质见表 可以看出氢气相比于天然气分子量很小导致其密度粘度、压缩性等物理参数均小于天然气具有较高的流动性地下存储更易发生泄露风险 尤其在向顶板上方扩散的趋势及盐岩层与泥岩夹层间流动需要重点关注表 氢气标况下常规物理性质.气体平均摩尔质量/()密度/()比热容/()气体常数/()动力
8、粘度/运动粘度/()天然气.氢气.氢气在盐岩层及夹层中的流动数值模拟采用经典的达西渗流定律计算见式()、式()()()()()式中:时间 介质孔隙度 氢气密度/氢气流速/孔隙度 氢气动力粘度 应力.泥岩夹层渗流理论与参数盐穴通常埋藏较深地层压力大 在未扰动时的盐岩结构极为致密孔隙度和渗透率极低对大规模氢气地下存储十分有利 但氢气分子量很小密度低向上沿顶板及四周扩散速度极快泥岩夹层孔隙度和渗透率明显大于盐岩长期注采运行期间对泥岩夹层易造成损伤内部易产生微小裂隙 这些裂隙可能成为氢气分子渗流泄露的通道影响盐穴储氢库的密封性通过开展该地区覆压条件下孔隙度、渗透率测试实验获得岩石孔隙度、渗透率随围压变
9、化关系实验测得该地区建库层段盐岩平均孔隙度为.渗透率为.结构极为致密故视盐岩渗透率与孔隙度为常数不考虑盐岩渗透率随应力变化关系 泥岩夹层的渗透率和孔隙度随应力见图 孔隙度/%12108642020渗透率/mD0.0100.0080.0060.0040.0020.000应力/MPa040k=0.027 3p-1.025R2=0.996 9渍=0.184 1p-0.421R2=0.999 1泥岩夹层渗透率泥岩夹层孔隙率图 泥岩夹层孔隙度和渗透率随应力变化.地层压力低于 时随着应力的增加泥岩夹层的渗透率与孔隙度均有明显降低表明在低围压下应力的增加对泥岩夹层内部裂隙的产生和扩张具有明显抑制作用 泥岩夹
10、层渗透率和孔隙度随压力变化可拟合呈幂指数函数关系见式()由于该地下储气库埋深大于 上覆地层应力盐科学与化工 第 卷 第 期 年 月高于 该压力下渗透率对应力变化敏感性较弱有利于氢气地下存储.()采用式()、()将应力与渗流关系耦合 ()()()()()()式中:系数 参考应力 体积应力 介质常数/气体质量源/介质孔隙度 氢气压缩系数 稳定性评价结合莫尔库伦破坏理论与气体渗流力学理论对盐穴储氢库开展流固耦合稳定性计算 参考该地区已建天然气地下储气库设计经验确定该盐穴储氢库运行压力区间为 .围岩变形与应力分布模拟盐穴储氢库在不同运行压力下恒压运行 的围岩变形情况 内压恒定 和 下位移分布云图见图
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