薛东杰副教授课题组盐岩储气库长期蠕变分数阶数值仿真云汇报

2020年6月3日，薛东杰副教授以视频会议的方式进行了关于储气库长期蠕变特性数值研究项目的线上汇报。

他主要从立项背景、分数阶蠕变本构模型、盐穴储库长期蠕变模拟、盐穴储库多因素分析和成果及考核指标五个部分进行汇报。据统计，2018年我国天然气对外依存度达百分之45%以上，近年来天然气进口量仍处于增长状态，为解决天然气季节性断供、事故应急供气和国家能源战略储备等问题，国家将继续推进地下储气库的建设，计划到2030年扩容10座储气库（群），新建23座储气库，以应对日渐增长的天然气消费需求和保障天然气长期稳定的供应。接着薛老师又指出储气库现状即有效容积丧失严重，主要的两个原因是内部压力的变化以及盐岩的时效特性。就如何预测盐岩地下储库在长期运营时由于蠕变导致的变形这一问题，课题组展开一系列研究。

他讲道，拉普拉斯曾定义过1/2阶导数，但只是停留在数学层次，课题组以此为出发点进一步优化设计，在西方原有的分数阶本构模型的基础上，引入分数阶常系数Abel黏壶，建立盐岩蠕变分数阶本构模型，并用经典数据进行对比，验证该分数阶蠕变模型面对某些复杂情况下的适用性，验证结果证明课题组成功建立的盐岩蠕变分数阶本构模型。在分数阶蠕变模型的程序化嵌入进行盐穴储库长期蠕变数值模拟工作时，薛老师指出，早期也走了一些弯路，用Flac做出的结果不是很理想，很多因素没有办法考虑进去，后来采用OpenGeoSys—基于C++平台实现的、面向对象的免费、开源程序工具包，利用有限元的方法，能够模拟多孔和断裂介质中的单个的或者是耦合的热学-水力学-力学-化学过程。随后经过模拟盐穴储气库在注采状态下的长期变形和分析边界条件、夹层对盐穴储气库变形的影响等工作环节，课题组还成功建立一套盐穴储气库长期运行下的数值模型。

主要结论如下:

（1）建立了常系数分数阶蠕变模型。引入分数阶元件将经典西原模型中Newton粘壶替换为分数阶Abel粘壶，推导了分数阶蠕变本构方程。通过对比国内和国外盐岩蠕变数据实验值和理论值的差异，结果表明常系数分数阶蠕变模型误差均比传统西原模型小，充分验证了分数阶常系数蠕变模型的有效性。

（2）基于OpenGeoSys开源程序实现了常系数蠕变模型的数值化。利用最小二乘法拟合实验数据获得分数阶蠕变模型力学数据，并将力学参数演化方程植入到OpenGeoSys程序中。

（3）基于常系数分数阶蠕变模型有效模拟了储气库长期蠕变特征。建立了考虑硬夹层的储气库模型，分析了自然条件和注采气压条件下长期蠕变特征，硬夹层对盐岩长期蠕变变形存在抑制作用。同时分析了约束条件、不同时段和不同范围内蠕变变形的差异，结果表面数值化的分数阶模型和数值化程序对于压力等边界条件等都比较敏感。

薛东杰副教授线上汇报