大型低溫液化天然氣（LNG）地下儲(chǔ)氣庫(kù)裂隙圍巖的熱力耦合斷裂損傷分析研究

【摘要】： 低溫LNG地下存儲(chǔ)是各國(guó)能源存儲(chǔ)不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。天然氣低溫液化后極端的低溫(-162℃)使得地下儲(chǔ)庫(kù)的建庫(kù)和長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)都面臨著巨大的挑戰(zhàn),目前還沒有成功的工程實(shí)例。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)巖石在低溫下的性狀和熱力學(xué)性質(zhì)和變化規(guī)律、低溫地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)進(jìn)行了一些探索性研究。本文為了研究低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)裂隙圍巖在凍結(jié)過程中的響應(yīng),首先在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析了降溫和低溫凍結(jié)對(duì)巖石(多孔介質(zhì))和裂隙巖體(裂隙介質(zhì))的影響和作用機(jī)理,然后將巖體按照裂隙介質(zhì)考慮,建立了低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)裂隙圍巖的熱力耦合斷裂損傷分析方法,得到了凍結(jié)過程中特殊條件下的儲(chǔ)庫(kù)圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征和穩(wěn)定性態(tài),對(duì)低溫地下儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理提供了科學(xué)依據(jù)。主要內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下: (1)針對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程,將出露于洞壁的主裂隙和洞壁附近未出露的單裂隙簡(jiǎn)化為一個(gè)帶邊緣裂紋和一個(gè)內(nèi)置穿透裂紋的半無限板分析模型,從不同巖石熱力學(xué)性質(zhì)、不同溫度邊界類型、不同降溫強(qiáng)度、不同降溫速度、不同裂隙面與洞壁夾角等對(duì)溫度降低過程中裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)和分析,探索降溫對(duì)裂隙擴(kuò)展的機(jī)理。 (2)根據(jù)當(dāng)前國(guó)際上最新提出的低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)的概念模型,將其分成兩個(gè)階段:從排水到開挖施工再到使圍巖足夠冷卻停止排水前為第一階段;從開始停止排水到地下水向冷卻的巖體中滲透形成冰凍圈長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)為第二階段。針對(duì)不同的階段分別提出了低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)裂隙圍巖的熱力耦合斷裂損傷分析方法。 (3)第一階段,在圍巖開始冷卻時(shí)的非飽和裂隙巖體中,假設(shè)水結(jié)冰后不產(chǎn)生凍脹,并忽略冰在裂隙壁面的凍結(jié)強(qiáng)度,基于幾何損傷理論和斷裂損傷力學(xué)理論建立了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的裂隙擴(kuò)展模型,基于本文裂隙壁面接觸面積與裂隙壁面總面積之比等于傳壓系數(shù)的定義,根據(jù)初始裂隙以及擴(kuò)展后裂隙幾何分布狀況和采用接觸傳熱的熱阻理論建立了裂隙巖體的導(dǎo)熱模型,并以傳壓系數(shù)為紐帶建立了裂隙巖體應(yīng)力和溫度傳導(dǎo)的耦合關(guān)系,進(jìn)而提出了溫度降低過程中地應(yīng)力和溫度熱力相互作用的裂隙巖體熱力耦合斷裂損傷模型。利用Fortran 90開發(fā)瞬態(tài)各向異性溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力有限元程序及熱力耦合的損傷分析有限元程序,并用該程序分析了宏觀工程裂隙巖體在溫度降低過程中在熱應(yīng)力和地應(yīng)力共同作用下的斷裂損傷。 (4)第二階段,停止排水,地下水位上升并逐漸滲透到已冷卻的裂隙巖體中結(jié)冰而形成一個(gè)冰凍圈后,水分遷移到夾冰的裂隙內(nèi)凍結(jié)膨脹后將導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。本文假設(shè)該階段溫度穩(wěn)定,在Walder模型基礎(chǔ)上建立了一個(gè)凍結(jié)過程中裂隙凍脹斷裂擴(kuò)展的理論模型,將Walder模型中沒有考慮的上覆巖體自重(地應(yīng)力)對(duì)裂隙擴(kuò)展的抑制作用和地下水壓力對(duì)裂隙擴(kuò)展的促進(jìn)作用考慮進(jìn)去,使之滿足地下儲(chǔ)氣庫(kù)冰凍圈形成后的工作條件,最后用該裂隙凍脹斷裂擴(kuò)展模型分析地下儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)下水分不斷遷移到夾冰的裂隙面結(jié)冰凍脹導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展,就埋深、溫度梯度、壁面溫度、側(cè)壓力系數(shù)、裂隙初始長(zhǎng)度和裂隙傾角等外部因素對(duì)裂隙擴(kuò)展影響進(jìn)行了分析。 【關(guān)鍵詞】：低溫液化天然氣(LNG)地下儲(chǔ)氣庫(kù) 凍結(jié) 裂隙 裂隙巖體 斷裂損傷 接觸傳熱 有限元 熱力耦合 水分遷移
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TU452
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目錄7-11
• 1 綜述11-35
• 1.1 研究背景11-17
• 1.1.1 能源存儲(chǔ)的重要性11
• 1.1.2 地下儲(chǔ)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)11-12
• 1.1.3 地下儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展及類型12-16
• 1.1.4 目前我國(guó)油氣地下儲(chǔ)備現(xiàn)狀16
• 1.1.5 目前我國(guó)地下儲(chǔ)庫(kù)的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r16-17
• 1.2 本文的研究對(duì)象及研究意義17-18
• 1.3 低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)中的巖石力學(xué)問題18-19
• 1.4 低溫下的巖石物理性狀研究進(jìn)展19-22
• 1.4.1 凍結(jié)、凍融循環(huán)下巖石的物理性質(zhì)的試驗(yàn)研究19-20
• 1.4.2 凍結(jié)、凍融循環(huán)對(duì)巖石損傷的試驗(yàn)研究20-21
• 1.4.3 凍結(jié)、凍融循環(huán)對(duì)巖石裂隙影響的試驗(yàn)研究21-22
• 1.5 低溫地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程的研究現(xiàn)狀22-27
• 1.5.1 低溫地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)技術(shù)22-24
• 1.5.2 小型低溫地下儲(chǔ)氣庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究24-25
• 1.5.3 低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性的理論分析和數(shù)值分析25-27
• 1.5.4 低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)的蒸發(fā)損耗率27
• 1.6 低溫下巖體多場(chǎng)耦合理論及其數(shù)值分析27-28
• 1.7 裂隙巖體的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型研究進(jìn)展28-30
• 1.7.1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型研究方法28-29
• 1.7.2 巖體的損傷斷裂模型29-30
• 1.8 本文的研究思路與研究?jī)?nèi)容30-35
• 1.8.1 研究思路30-32
• 1.8.2 研究?jī)?nèi)容32-35
• 2 低溫對(duì)巖石熱力學(xué)性質(zhì)和裂隙的影響35-46
• 2.1 低溫凍結(jié)下巖石的性狀35-41
• 2.1.1 低溫凍結(jié)下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)35-37
• 2.1.2 低溫凍結(jié)下巖石的熱學(xué)性質(zhì)37
• 2.1.3 凍融循環(huán)對(duì)巖石性質(zhì)的影響37-39
• 2.1.4 在經(jīng)歷低溫凍結(jié)和凍融后巖行結(jié)構(gòu)的變化39-41
• 2.1.5 影響機(jī)理41
• 2.2 低溫凍結(jié)對(duì)節(jié)理裂隙的影響41-44
• 2.2.1 低溫凍結(jié)對(duì)節(jié)理裂隙的作用42-43
• 2.2.2 凍融對(duì)節(jié)理裂隙的作用43-44
• 2.2.3 作用機(jī)理44
• 2.3 本章小結(jié)44-46
• 3 溫度降低過程中單裂隙裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子分析46-73
• 3.1 研究對(duì)象46-48
• 3.2 地應(yīng)力作用48
• 3.3 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/span>48-51
• 3.3.1 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/span>48-50
• 3.3.2 瞬態(tài)的溫度應(yīng)力50
• 3.3.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算50-51
• 3.4 巖石熱力學(xué)參數(shù)對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響分析51-60
• 3.4.1 數(shù)值試驗(yàn)條件51-52
• 3.4.2 數(shù)值試驗(yàn)方案52-53
• 3.4.3 一種特定巖石的裂隙低溫?cái)U(kuò)展機(jī)理53-56
• 3.4.4 巖石特性隨溫度變化對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響56-58
• 3.4.5 巖石類型對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響58-60
• 3.5 降溫邊界條件對(duì)圍巖裂隙擴(kuò)展的影響機(jī)理分析60-66
• 3.5.1 降溫邊界類型對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響分析60-64
• 3.5.2 降溫速度對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響分析64-65
• 3.5.3 降溫強(qiáng)度對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響分析65
• 3.5.4 工程應(yīng)用65-66
• 3.6 裂隙傾角對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響分析66-71
• 3.6.1 裂隙傾角對(duì)裂隙附近溫度場(chǎng)分布的影響68
• 3.6.2 裂隙傾角對(duì)裂尖附近溫度應(yīng)力的影響68-70
• 3.6.3 裂隙傾角對(duì)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響70-71
• 3.7 本章小結(jié)71-73
• 4 溫度降低過程中地下儲(chǔ)氣庫(kù)裂隙圍巖的熱力耦合斷裂損傷分析73-127
• 4.1 地質(zhì)模型74-76
• 4.1.1 描述裂隙分布的基本幾何參量75
• 4.1.2 裂隙頻率和裂隙密度75-76
• 4.2 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的裂隙巖體的斷裂損傷模型76-87
• 4.2.1 壓剪應(yīng)力狀態(tài)76-83
• 4.2.2 拉剪應(yīng)力狀態(tài)83-84
• 4.2.3 拉伸應(yīng)力狀態(tài)84-86
• 4.2.4 多裂隙間的相互作用86-87
• 4.3 裂隙巖體的導(dǎo)熱模型87-98
• 4.3.1 熱阻89
• 4.3.2 接觸熱阻89-92
• 4.3.3 含初始裂隙的巖體等效熱傳導(dǎo)系數(shù)92-95
• 4.3.4 裂隙擴(kuò)展后的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)95-98
• 4.4 裂隙面溫度傳導(dǎo)和應(yīng)力的耦合關(guān)系98-100
• 4.4.1 閉合狀態(tài)下的初始裂隙面溫度傳導(dǎo)和應(yīng)力的耦合關(guān)系98-100
• 4.4.2 張性的裂隙面溫度傳導(dǎo)和應(yīng)力的耦合關(guān)系100
• 4.5 熱力耦合斷裂損傷模型有限元程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證100-119
• 4.5.1 程序?qū)崿F(xiàn)100-103
• 4.5.2 位移場(chǎng)和損傷演化103-110
• 4.5.3 瞬態(tài)各向異性溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力110-118
• 4.5.4 溫度降低過程中耦合分析步驟118-119
• 4.6 溫度降低過程中儲(chǔ)庫(kù)圍巖的熱力耦合斷裂損傷分析119-125
• 4.6.1 開挖完成后圍巖的狀態(tài)120-122
• 4.6.2 注入LNG溫度降低過程中圍巖的狀態(tài)122-125
• 4.7 本章小結(jié)125-127
• 5 低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖在形成冰凍圈后的斷裂分析127-141
• 5.1 低溫下水分的遷移機(jī)理及對(duì)巖石的劣化128-129
• 5.2 凍結(jié)過程中裂隙斷裂的理論模型—Walder模型129-134
• 5.2.1 裂紋中冰壓力和破裂速率之間的關(guān)系130-133
• 5.2.2 質(zhì)量守恒133-134
• 5.2.3 數(shù)值計(jì)算134
• 5.3 對(duì)Walde模型的修正134-136
• 5.4 冰凍圈形成后圍巖的斷裂分析136-140
• 5.5 本章小結(jié)140-141
• 6 結(jié)論與展望141-145
• 6.1 結(jié)論141-143
• 6.2 展望143-145
• 致謝145-146
• 參考文獻(xiàn)146-152
• 附錄A 液化天然氣(LNG)的物理特性152-153
• 附錄B 巖石裂縫中冰壓力的光彈試驗(yàn)研究153-158
• 附錄C 低溫地下儲(chǔ)氣試驗(yàn)庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試158-164
• C-1 低溫LPG不襯地下儲(chǔ)氣庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)158-160
• C-2 低溫LNG襯砌地下儲(chǔ)氣庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)160-164
• 附錄D 在校期間完成的相關(guān)工作164-166
• D-1 參加的縱向課題164
• D-2 參加的橫向課題164-165
• D-3 所獲專利165
• D-4 發(fā)表論文165-166

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