大型低温液化天然气（LNG）地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析研究

【摘要】： 低温LNG地下存储是各国能源存储不可避免的发展趋势。天然气低温液化后极端的低温(-162℃)使得地下储库的建库和长期安全运营都面临着巨大的挑战,目前还没有成功的工程实例。国内外已有学者对岩石在低温下的性状和热力学性质和变化规律、低温地下储气库的建库进行了一些探索性研究。本文为了研究低温LNG地下储气库裂隙围岩在冻结过程中的响应,首先在此基础上系统分析了降温和低温冻结对岩石(多孔介质)和裂隙岩体(裂隙介质)的影响和作用机理,然后将岩体按照裂隙介质考虑,建立了低温LNG地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析方法,得到了冻结过程中特殊条件下的储库围岩应力场特征和稳定性态,对低温地下储气库的设计、施工和运营管理提供了科学依据。主要内容和创新性成果如下: (1)针对地下储气库工程,将出露于洞壁的主裂隙和洞壁附近未出露的单裂隙简化为一个带边缘裂纹和一个内置穿透裂纹的半无限板分析模型,从不同岩石热力学性质、不同温度边界类型、不同降温强度、不同降温速度、不同裂隙面与洞壁夹角等对温度降低过程中裂尖应力强度因子的影响进行了系统的数值试验和分析,探索降温对裂隙扩展的机理。 (2)根据当前国际上最新提出的低温LNG地下储气库建库的概念模型,将其分成两个阶段:从排水到开挖施工再到使围岩足够冷却停止排水前为第一阶段;从开始停止排水到地下水向冷却的岩体中渗透形成冰冻圈长期运营为第二阶段。针对不同的阶段分别提出了低温LNG地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析方法。 (3)第一阶段,在围岩开始冷却时的非饱和裂隙岩体中,假设水结冰后不产生冻胀,并忽略冰在裂隙壁面的冻结强度,基于几何损伤理论和断裂损伤力学理论建立了复杂应力状态下的裂隙扩展模型,基于本文裂隙壁面接触面积与裂隙壁面总面积之比等于传压系数的定义,根据初始裂隙以及扩展后裂隙几何分布状况和采用接触传热的热阻理论建立了裂隙岩体的导热模型,并以传压系数为纽带建立了裂隙岩体应力和温度传导的耦合关系,进而提出了温度降低过程中地应力和温度热力相互作用的裂隙岩体热力耦合断裂损伤模型。利用Fortran 90开发瞬态各向异性温度场、温度应力有限元程序及热力耦合的损伤分析有限元程序,并用该程序分析了宏观工程裂隙岩体在温度降低过程中在热应力和地应力共同作用下的断裂损伤。 (4)第二阶段,停止排水,地下水位上升并逐渐渗透到已冷却的裂隙岩体中结冰而形成一个冰冻圈后,水分迁移到夹冰的裂隙内冻结膨胀后将导致裂隙进一步扩展。本文假设该阶段温度稳定,在Walder模型基础上建立了一个冻结过程中裂隙冻胀断裂扩展的理论模型,将Walder模型中没有考虑的上覆岩体自重(地应力)对裂隙扩展的抑制作用和地下水压力对裂隙扩展的促进作用考虑进去,使之满足地下储气库冰冻圈形成后的工作条件,最后用该裂隙冻胀断裂扩展模型分析地下储气库长期运营下水分不断迁移到夹冰的裂隙面结冰冻胀导致裂隙的进一步扩展,就埋深、温度梯度、壁面温度、侧压力系数、裂隙初始长度和裂隙倾角等外部因素对裂隙扩展影响进行了分析。