《Energy》：A novel operational parameters optimizing method for ultra-deep high-impurity salt cavern gas storage
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利用沉积物空隙（void space）进行储气是沉积型盐穴储气库（Salt Cavern Gas Storage, SCGS）的重要发展方向。该研究基于江苏省埋深1800~2000 m、含厚夹层超深层盐层的工程背景。首先，建立了考虑沉积物压缩效应的连续介质力学
利用沉积物空隙（void space）进行储气是沉积型盐穴储气库（Salt Cavern Gas Storage, SCGS）的重要发展方向。该研究基于江苏省埋深1800~2000 m、含厚夹层超深层盐层的工程背景。首先，建立了考虑沉积物压缩效应的连续介质力学模型。随后，基于现场条件及所提力学模型构建了三维地质模型，并设计了四种数值模拟方案，其下运行压力阈值分别为0.3、0.4、0.45和0.5（单位：10-1 MPa/m），同时考虑有沉积物和无沉积物两种情形。最后，采用物元可拓法（Matter-Element Extension Method）对盐穴储气库稳定性等级进行定量分类。结果表明：在0.45（10-1 MPa/m）且有沉积物条件下，体积收缩率为14.84%，最大位移为5.37 m。通过该方法判定：0.3与0.4组稳定性为T5级（不稳定），0.45组为T2级（稳定），0.5组为T1级（非常稳定）。该研究可为类似复杂地质条件下沉积型盐穴储气库的设计与安全运行提供参考。
随着全球能源消费结构转型与地缘政治格局演变，能源安全与稳定供应已成为全球性议题，天然气作为清洁高效能源，其储备调峰能力具有重要战略意义。中国天然气消费量持续攀升，但消费集中于东部沿海地区，主力气田却位于中西部，这种供需错配导致严重的供需失衡，建设储气调峰设施成为保障国家能源安全的迫切需求。盐穴储气设施因其低孔隙度、低渗透性、强自愈合能力及相对较低的建造成本，成为实现大规模季节性调峰和战略储备的关键基础设施。工程实践表明盐穴储气库最优埋深为1000~1500 m，但资源约束迫使深部盐穴开发成为关键方向，埋深超过1800 m的盐穴被定义为"超深"盐穴。
中国大部分盐矿为低品位层状盐岩，含众多夹层。水溶造腔后，不溶沉积物在腔底大量堆积，形成具有复杂空隙结构的沉积区域。现有"两注一排"技术通过两口注气井和一口排卤井，利用天然气注入压力将卤水压出，从而利用沉积物空隙空间扩大盐穴储气库容量。然而，腔体内沉积物残留会影响腔体稳定性。早期研究人员将沉积物近似为未溶解岩层，这种近似在工程实践中被证明具有危险性，因其夸大了沉积物对腔壁的支撑作用。后续研究者分别提出了圆柱形和倒梯形沉积物体的圆盘单元力学模型，开创了预测沉积物内部应力与孔隙率演化的数学模型；观察到疏浚物质对腔壁的侧向应力随堆积深度增加可简化为类静水压力形式的梯度力；将沉积物建模为多孔介质以表示沉积空隙。为准确反映沉积物的颗粒力学特性，部分研究人员采用耦合FLAC-PFC模拟或耦合FLAC-3DEC模拟，能真实描述沉积物与腔壁的相互作用机制，但因计算成本高、耦合机制不明而较少被采用。
盐穴储气库必须在合理压力范围内运行以保证围岩变形处于安全阈值内。过高运行压力会破坏密封完整性导致漏气甚至诱发地震事件，过低运行压力则会损害稳定性，导致腔体加速收缩和地表沉降。因此，科学确定该临界压力范围亟需建立综合运行压力与多维指标的评价体系。已有研究采用多种方法评估盐穴储气库稳定性，如层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）定量分析各因素对腔体稳定性及顶板变形的影响，临界性（CRITIC）法计算指标权重识别影响长期稳定性的关键因素，以及基于熵权法（Entropy Weighting Method, EWM）建立稳定性评价体系并提出最优下运行压力限值确定方法。但现有研究仍存在局限：一方面对高杂质盐穴中沉积物的力学影响考虑不足，另一方面评价方法相对有限，在权重确定和指标整合方面有待进一步优化。
该研究以江苏省埋深1800~2000 m、高夹层含量的深部盐矿为工程背景，系统分析其运行参数优化与稳定性评价体系。主要用到四项关键技术方法：一是基于沉积物圆盘单元应力分析建立考虑压缩效应的梯度应力模型，将沉积物侧向应力简化为类静水压力形式并引入压缩项修正；二是采用Rhino软件构建三维地质模型，设置四面体单元并通过接口软件导入FLAC3D进行数值模拟；三是设计四种不同上下运行压力限值的对比方案（下限压力阈值分别为0.3、0.4、0.45和0.5，即12.7 MPa、16.9 MPa、19.0 MPa和21.2 MPa），系统分析体积收缩率、塑性区分布、最大位移等关键稳定性指标的响应特征；四是创新性地整合AHP与EWM确定综合权重，并采用物元可拓法进行稳定性等级评定，其中AHP通过专家打分构建判断矩阵确定主观权重，EWM基于指标离散程度计算客观权重，两者结合兼顾经验与数据。
研究结果部分包含以下内容：
沉积物力学模型：基于水溶法造腔过程中腔壁不溶颗粒与夹层碎片的堆积特征，建立考虑压缩效应的沉积物梯度应力模型。通过对沉积物圆盘单元进行应力分析，引入压缩项修正传统模型，得出沉积物侧向应力随深度呈非线性增长，为后续数值模拟提供力学边界条件。
地质建模：基于江苏省淮安市某盐矿建立三维地质模型。该矿区盐岩地层与夹层形态简单，呈层状展布，地层倾角约5°。模型采用四面体单元，通过Rhino软件构建并导入FLAC3D，考虑了盐岩层、夹层及腔体的空间分布特征。
静态稳定性：在最危险工况条件下开展静态稳定性模拟，即下运行压力限值0.3（12.7 MPa）且有沉积物支撑条件。模拟分三步：首先施加上覆岩层应力确保应力平衡；其次模拟水溶造腔，最危险条件为开挖腔体充满饱和卤水；最后进行运行期模拟。结果表明该工况下腔体塑性区发育范围最广，变形最为显著。
稳定性评价方法：采用多准则决策分析框架，结合AHP与EWM确定综合权重，并运用物元可拓法进行稳定性等级评定。该方法通过构建物元模型、确定经典域与节域、计算关联度函数，最终定量划分稳定性等级（T1~T5），实现了主观经验与客观数据的平衡。
结论部分指出，该研究针对江苏省1800~2000 m深、高夹层含量盐层地质条件下的盐穴储气库，建立了考虑沉积物压缩效应的梯度应力模型，通过数值模拟和物元可拓法评价，确定0.45（19.0 MPa）为较优的下运行压力阈值，此时体积收缩率14.84%、最大位移5.37 m，稳定性处于T2级（稳定）；而0.5（21.2 MPa）达到T1级（非常稳定），但需进一步考虑经济性与密封性。该研究为类似深部高杂质盐穴储气库的稳定性评价与运行控制提供了理论基础和方法参考。
