王偉超，朱高房

(1.河南理工大學研究生院，河南焦作454003；2.河南理工大學土木工程學院，河南焦作454003)

1 概述

能源儲備對國家經(jīng)濟社會發(fā)展起著重要的戰(zhàn)略支撐作用，而國外大多數(shù)國家將鹽巖溶腔作為理想的能源儲備場所，是因為其具有較低的滲透性、損傷自恢復性、良好的密閉性、造腔成本低的優(yōu)點。國外的鹽巖腔體多建于鹽巖層較厚的鹽丘上，而我國的鹽巖層較薄，并且在鹽巖層之間多夾雜著泥巖、石膏巖和鈣芒硝等巖層，地質條件較為復雜，所以研究不同地區(qū)鹽巖的力學特性和鹽巖儲庫穩(wěn)定性是必要的。隨著我國在江蘇金壇建造了首個鹽巖儲庫群，伴隨其的各種關于鹽巖力學特性和鹽巖儲庫的研究也相應的展開，本文將會對國內鹽巖儲庫穩(wěn)定性分析及評價研究進行分類整理，歸納出鹽巖儲庫穩(wěn)定性研究的一般方法和結論，為今后進一步研究鹽巖儲庫穩(wěn)定性打下基礎。

2 國內鹽巖儲庫穩(wěn)定性分析研究進展

由于鹽巖儲庫建造環(huán)境的特殊性，所以在分析鹽巖儲庫穩(wěn)定性時大多會先研究鹽巖的力學特性，并得出其基本力學參數(shù)，然后利用數(shù)值模擬的方法分析鹽巖儲庫的穩(wěn)定性。國內關于鹽巖儲庫穩(wěn)定性分析的研究主要包括：一是夾層及交界面基本力學特性影響研究，通常包括夾層特征對鹽巖物理和力學特性的影響及層狀鹽巖交界面處力學特性分析。二是鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響因素研究，如所建儲庫的埋深、幾何形狀、運行內壓與注采速率、鹽巖所含夾層。

2.1 夾層及交界面的力學特性研究進展

與國外鹽丘不同，我國鹽礦多為層狀鹽巖，并且夾層數(shù)目、厚度以及軟硬均不一樣，因此對于不同夾層特征對鹽巖物理力學特性影響的研究也是鹽巖儲庫穩(wěn)定性研究的重點。

2.1.1 夾層特征對鹽巖物理特性影響

鹽巖滲透性研究可以為鹽巖儲庫的穩(wěn)定性和密閉性研究提供指導。國內學者對于滲透性主要從影響因素、微觀和宏觀出發(fā)。王新志等[1]把影響滲透性因素分為內因和外因2個方面，但其僅對滲透性因素做了劃分，并未進行深層次研究。從微觀角度研究，通常采用電鏡掃描鹽巖體及其夾層的微觀結構進行研究；而從宏觀角度分析，通常會測定鹽巖滲透率，測定方法分別有：穩(wěn)態(tài)法、周期加載法和非穩(wěn)態(tài)壓力脈沖衰減法（或稱瞬態(tài)氣測法[2]），對于測定較低滲透性巖石的滲透率一般采用非穩(wěn)態(tài)壓力脈沖衰減法。劉偉等[2]利用瞬態(tài)氣測法分析三軸壓縮下鹽巖滲透性，認為加壓使損傷后的鹽巖滲透性恢復較低水平；但在鹽巖擴容邊界研究時，未能測到完整的擴容邊界。通過以上研究發(fā)現(xiàn)，無論是微觀還是宏觀進行分析鹽巖滲透性，在獲取鹽巖試件過程中，取芯和加工會對試件產生損傷，為消除損傷通常先在靜水壓力中壓縮，但是關于靜水壓力的選擇與作用時長和鹽巖壓縮的擴容邊界的研究較少。

2.1.2 夾層特征對鹽巖力學特性影響

國內學者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)場取芯獲得含有不同含量、數(shù)目和間距夾層的鹽巖是不可行的，且現(xiàn)場取芯也會對巖芯造成擾動，所以開始另辟蹊徑利用制備型鹽來研究夾層特征對鹽巖力學特性的影響。其中姜德義[3]利用該方法研究含弱夾層鹽巖型鹽力學特性，認為不同的夾層厚度比和夾層分布會對含軟弱夾層鹽巖型鹽的變形、破壞和力學參數(shù)產生影響。鹽巖夾層在層狀鹽巖中不僅是含量、數(shù)目和間距有變化，有時也會出現(xiàn)角度上的傾斜。劉偉等(2013)研究了含傾斜夾層鹽巖體的變形與破壞特性，通過研究發(fā)現(xiàn)傾斜夾層不同位置處其破壞形式也不同。綜合來看利用制備型鹽的方法來研究夾層特征對鹽巖力學特性的影響是可行的，并且該方法還為在室內研究層狀鹽巖基本特性提供了一種新途徑。

2.1.3 層狀鹽巖交界面力學特性

鹽巖儲庫在長期運行中，因為鹽巖和夾層的彈性模量和泊松比相差較大，因此會產生不協(xié)調變形，進而導致交界面處產生破裂，溶腔內的石油或者天然氣會沿著破裂面泄漏，會對儲庫的安全造成威脅。因此，層狀鹽巖交界面處的力學特性的研究為分析鹽巖儲庫的穩(wěn)定性和密閉性提供了重要的參考依據(jù)。李銀平等[4]、劉偉等(2013)分別通過直剪試驗、電鏡掃描試驗，發(fā)現(xiàn)層狀鹽巖交界面具有良好的粘結力，并認為該結果有利于鹽巖儲庫的密閉性。直剪試驗和電鏡掃描試驗是分別從宏觀和細觀兩個角度出發(fā)，而對于交界面處的變形與破壞規(guī)律的研究不足；還有一些學者利用數(shù)值模擬和建立不同的界面剪切強度模型分析交界面處的力學特性。綜合來看對于鹽巖交界面的研究主要集中在力學特性和變形與破壞特征的研究，而對于交界面處的本構模型的研究較少。

2.2 鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響因素研究進展

鹽巖儲庫的穩(wěn)定性是指單個溶腔的局部穩(wěn)定性以及溶腔群的整體穩(wěn)定性，在穩(wěn)定性研究中可以分為鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響因素分析和穩(wěn)定性評價。國內學者在進行鹽巖儲庫穩(wěn)定性研究時，不但對夾層及交界面的力學特性進行分析，而且還會研究鹽巖儲庫建造和運行過程中影響穩(wěn)定性的因素。綜合鹽穴形和水平形2種不同類型的鹽巖儲庫發(fā)現(xiàn)在研究穩(wěn)定性影響因素時，通常會從以下方面進行分析：鹽巖儲庫的埋深、幾何形狀、腔體運行內壓及注采速率、鹽巖夾層。

2.2.1 埋深對鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響

我國鹽巖分布廣泛、多含夾層并且埋深差異也較大。鹽巖儲庫埋深較淺時，其受到的地層壓力較小，但是更容易受到地面活動的影響，并且鹽巖儲庫一旦發(fā)生泄漏會給附近居民和環(huán)境帶來很大的危害；當鹽巖儲庫埋深較深時，其會受到很大的地應力作用，在長期作用下容易發(fā)生蠕變從而造成溶腔有效體積減小，使得溶腔失效，因此合理的埋深對鹽巖儲庫穩(wěn)定性是至關重要的。

鑒于鹽巖儲庫的特殊性在研究埋深的影響時通常采用數(shù)值模擬方法，國內學者梁光川等[5]、楊花(2009)、尹雪英等(2012)利用FLAC3D研究鹽巖儲庫埋藏深度的變化對鹽巖儲庫穩(wěn)定性的影響，通過改變鹽巖儲庫模型上層施加的壓力來模擬不同埋藏深度，研究發(fā)現(xiàn)在保持溶腔內壓不變情況下，隨著埋藏深度的增加，溶腔位移近似呈直線增長，并且腔周破損區(qū)也在逐漸擴大，當埋藏深度達到一定值時，鹽巖儲庫會發(fā)生變形破壞；并且還認為當埋深增加時可以通過提高運行內壓來提升儲庫穩(wěn)定性。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)因為研究環(huán)境的特殊，所以研究方法較為單一，但是對于在大埋深下提升儲庫穩(wěn)定性時只考慮了運行內壓一種情況，還可以從溶腔的幾何形狀進行分析。

2.2.2 幾何形狀對鹽巖儲庫穩(wěn)定性的影響

在建造鹽巖儲庫時，溶腔的形狀和高跨比對鹽巖儲庫運行期間的內壓的設定、腔周流變位移和腔體體積收縮率等對鹽巖儲庫穩(wěn)定性指標均有顯著影響。國內一些學者在研究溶腔幾何形狀對儲庫穩(wěn)定性影響時，通常采用理論推導和數(shù)值模擬2種方法。陳劍文等[6]通過對鹽巖儲庫周圍巖體微元體受力分析推導出了高跨比與地應力關系，利用圓弧滑動法分析了儲庫下部與寬度比值，并且分別均利用數(shù)值模擬進行驗證。常曉云(2016)利用FLAC3D模擬了恒定內壓下不同腔形和高跨比的鹽巖儲庫的穩(wěn)定性，并認為高跨比為7/3的橢球腔為最佳腔體。綜合來看，受限于儲庫建造環(huán)境的特殊，造成了研究方法的單一化，因此拓展不同的分析方法并驗證其可靠性是以后研究的重點。

2.2.3 運行內壓及注采速率對鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響

鹽巖儲庫腔體的運行內壓及注采速率對儲庫穩(wěn)定性的影響十分明顯，壓力過低時腔體在地應力的影響下會發(fā)生較大的體積損失，從而影響其可用性，壓力過大時可能會破壞溶腔的密閉性，導致鹽巖損傷使得儲庫發(fā)生泄漏，因此合理地限制儲庫運行內壓是保證其穩(wěn)定的重要手段。目前判斷鹽巖儲庫溶腔的最小運行內壓的方法分別有：經(jīng)驗判斷法、溶腔腔體體積損失率判斷法和剪脹損傷因子判斷法。俞超等[7]利用數(shù)值模擬方法，分析了不同恒壓和長期蠕變作用下運行內壓對含軟泥夾層鹽巖溶腔穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)較高的運行壓力能有效減少腔體收縮，并且抑制腔周塑性區(qū)的發(fā)展，有利于鹽巖儲庫穩(wěn)定性。有些學者在研究恒定內壓對穩(wěn)定性影響的基礎上考慮注采速率的變化的影響，賈超等(2012)、牛傳凱等(2013)認為適當降低注采速率可抑制腔體收縮，提高儲庫穩(wěn)定性；為保證儲庫的安全運行，注采速率不能超過4.5m/s。

綜合來看在研究溶腔腔體運行內壓及注采速率對穩(wěn)定性影響時，通常首先會利用數(shù)值軟件分析不同內壓下腔體周圍位移、腔周塑性區(qū)分布和腔體體積損失率，然后結合經(jīng)驗判斷法、溶腔腔體體積損失率判斷法和剪脹損傷因子判斷法綜合考慮給出合適的運行內壓和注采速率。

2.2.4 夾層對鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響

層狀鹽巖夾層的存在不僅會影響儲庫溶腔的建造，而且會對溶腔的長期運營造成影響，因此夾層對儲庫穩(wěn)定性影響的研究就十分重要。該研究主要集中在鹽巖夾層本構模型、力學模型及夾層固有特性的變化。尹雪英等[8]利用三維Cosserat介質擴展本構模型通過FLAC3D對溶腔進行靜力計算，結果表明泥巖夾層對鹽巖體具有約束和加筋作用，有利于儲庫穩(wěn)定性。而莫江等(2008)根據(jù)小撓度薄板彎曲理論，建立了鹽巖夾層力學模型，并給出了夾層內部應力的解析解，該理論為強度校核提供依據(jù)。在研究夾層特性變化對穩(wěn)定性影響時，俞超等(2012)和李二兵等(2014)均采用數(shù)值模擬方法研究了夾層軟硬變化和楊氏模量的改變對穩(wěn)定性的影響，并認為隨著硬質夾層厚度增大，而腔體體積收縮率明顯下降，但對于軟質夾層卻略微增大；當夾層楊氏模量變小時，腔體收縮變大，而夾層楊氏模量變大時，層狀鹽巖交界面處易發(fā)生滑動，并建議在進行鹽巖儲庫選址時應優(yōu)先選擇兩者的楊氏模量和蠕變性相差不大的巖層。

3 國內鹽巖儲庫穩(wěn)定性評價研究進展

鹽巖儲庫穩(wěn)定性研究與其他巖體不同，鹽巖儲庫穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)工程，需要考慮多種因素共同作用。對于這項系統(tǒng)工程的研究，吳文等(2005)首先系統(tǒng)地提出了鹽巖儲庫穩(wěn)定性評價標準，并認為該標準主要包括：穩(wěn)定性、密閉性和可使用性。韓琳琳等(2012)在分析了儲氣庫失事案例后，從穩(wěn)定性和密閉性2個方面提出了儲氣庫適用性評價標準，該標準綜合考慮各因素的影響，并且給出各因素在系統(tǒng)中所占的權重。但是在賦權時，并未給出依據(jù)，存在主觀因素。姜德義等[9]、張新生等[10]在進行穩(wěn)定性評價時，均先采用層次分析法建立了多層次多指標評價體系，然后分別采用判斷矩陣、灰色關聯(lián)分析法、熵值法和模糊綜合評判法對各指標進行權值分配；其中利用灰色關聯(lián)分析法時由于分辨系數(shù)的不確定會造成計算結果的不統(tǒng)一，而采用熵值法確定權重后，再使用集對分析確定穩(wěn)定性等級則可以避免人為主觀因素，計算結果較為客觀。而在以上學者的研究中均未考慮畸形溶腔的存在，實際上在溶腔水溶開采過程中，由于溶腔形態(tài)可見性差和可控難度大的原因，會形成畸形溶腔。李浩然等(2014)把變權和相對差異函數(shù)理論引入到穩(wěn)定性評價系統(tǒng)中，建立了畸形溶腔穩(wěn)定性評價理論。

綜合來看在進行穩(wěn)定性評價研究時，會首先利用層次分析法構建多層次多指標評價體系，然后利用判斷矩陣、灰色關聯(lián)分析、熵值法和模糊綜合評判法對各指標進行權值分配，其中灰色關聯(lián)分析帶有主觀因素，而熵值法更具有客觀性。

本文主要從夾層及交界面的基本力學特性、鹽巖儲庫穩(wěn)定性影響因素和穩(wěn)定性評價進行總結，可以看出無論是基本力學特性的研究還是穩(wěn)定性影響因素和評價，都需要開拓不同的理論和方法進行研究。在進行基本力學特性研究時，應該注重室內試驗和數(shù)值計算相結合；對于層狀鹽巖交界面處的本構模型建立有待提高；在進行鹽巖儲庫穩(wěn)定性評價時，可以綜合考慮多種因素綜合對鹽巖儲庫破壞的作用、溶腔的破損程度和破壞后造成的社會及經(jīng)濟影響，進行評價體系的構建和權值分配；并且還應致力于建立準確、實用性強、方便操作的穩(wěn)定性綜合評價標準。