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

1、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)庫的建庫和長(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)氣庫的建庫進(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

2、裂隙介質(zhì)考慮,建立了低溫LNG地下儲(chǔ)氣庫裂隙圍巖的熱力藕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-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

3、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)氣庫建庫的概念模型,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

4、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For

5、tran 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