《盐穴压缩空气储能基础理论与关键技术》系统梳理和总结盐穴压缩空气储能领域的基础理论与关键技术进展。围绕盐穴储能工程中的力学响应、安全评价、储能机制、不溶物沉渣特性及有效容积评估等核心科学与工程问题，全面开展多尺度试验研究、理论模型构建、数值方法开发与工程案例分析。《盐穴压缩空气储能基础理论与关键技术》内容涵盖盐岩在循环荷载、蠕变-疲劳和温度等多场耦合作用下的力学行为、损伤演化与寿命预测模型，以及相关本构模型的建立和数值实现。同时，针对沉渣堆体结构与空隙连通性、盐穴有效容积计算等工程应用难题，提出创新性解决方案，旨在为我国盐穴压缩空气储能工程的设计、运行与安全管理提供理论支撑和技术参考。

目录
第1章 绪论 1
1.1 能源储备的必要性 1
1.2 盐岩及地下盐穴 6
1.3 盐穴压缩空气储能原理及国内外研究进展 8
第2章 循环荷载作用下盐岩力学行为 10
2.1 试验材料与方法 10
2.1.1 试样制备 10
2.1.2 试验设备 11
2.1.3 单轴压缩试验试样制备 12
2.1.4 三轴围压卸载试验试样制备 12
2.1.5 对比试验设计 13
2.2 三轴围压卸载试验 13
2.2.1 注采引起的温压变化 14
2.2.2 围岩应力与注采的关系 17
2.2.3 不同采气速率对应的卸载速率 18
2.2.4 试验结果分析 19
2.3 循环加载试验 22
2.3.1 上限应力 23
2.3.2 下限应力 24
2.3.3 平均应力 26
2.3.4 应力幅值 27
2.3.5 循环频率（周期） 28
2.4 对称波形试验 35
2.4.1 试验设计 35
2.4.2 结果与讨论 36
2.5 疲劳与蠕变对比 37
2.5.1 宏观破坏模式与细观机制 38
2.5.2 长期强度对比 40
2.5.3 循环荷载的等效蠕变应力分析 44
第3章 蠕变-疲劳作用下盐岩力学特性 52
3.1 概述 52
3.2 试验设计与方法 53
3.2.1 试样制备 53
3.2.2 试验装置与方案 53
3.2.3 单轴压缩试验 57
3.3 恒应力幅下蠕变-疲劳特性 57
3.3.1 变形行为 57
3.3.2 破坏机制 65
3.3.3 试验结果分析 67
3.4 变应力幅下蠕变-疲劳特性 67
3.5 变应力间隔蠕变疲劳试验 72
3.5.1 疲劳*线特征 72
3.5.2 单循环的应力-应变响应 74
3.5.3 不可逆变形分析 77
3.5.4 能量耗散模型及其特征 79
3.5.5 试验结果分析 81
3.6 不同应力路径下力学响应 83
3.6.1 不同应力路径试验方案 83
3.6.2 应力-应变*线 85
3.6.3 时间-应变*线 86
3.6.4 试验后试样CT扫描分析 90
第4章 盐岩循环变形本构模型 95
4.1 力学参数影响 95
4.1.1 上限应力与下限应力 96
4.1.2 平均应力 96
4.1.3 上限应力与幅值 97
4.1.4 周期 97
4.2 Burgers模型在循环荷载下变形推导 98
4.3 模型参数拟合 103
4.3.1 常规模型下的循环参数分析 103
4.3.2 试验结果分析 104
4.3.3 刚度折减因子分析 107
4.4 循环变形表征模型修正与验证 108
4.4.1 刚度折减因子引入 108
4.4.2 改进模型验证 109
第5章 蠕变-疲劳下盐岩损伤演化及寿命预测模型 110
5.1 概述 110
5.2 恒应力幅下盐岩损伤演化模型 111
5.2.1 模型建立与损伤变量表征 111
5.2.2 模型验证 113
5.3 变应力幅下盐岩损伤演化模型 115
5.3.1 模型建立与损伤变量表征 115
5.3.2 模型验证 116
5.4 盐岩蠕变疲劳寿命预测模型 119
5.4.1 应力水平与蠕变疲劳寿命关系 119
5.4.2 保持时间影响 120
5.4.3 寿命预测模型的建立 120
第6章 蠕变-疲劳下盐岩本构模型及二次开发 123
6.1 岩石流变元件 123
6.1.1 疲劳损伤体 123
6.1.2 非线性黏塑性体 125
6.2 盐岩蠕变-疲劳本构模型构建与分析 126
6.2.1 模型构建 126
6.2.2 参数反演与验证 128
6.2.3 敏感性分析 130
6.3 模型二次开发及数值模拟 135
6.3.1 有限差分形式 135
6.3.2 二次开发 137
6.3.3 程序验证 139
第7章 温度作用下盐岩蠕变-疲劳损伤本构模型 141
7.1 概述 141
7.2 试验设计与加载方案 141
7.3 不同温度下盐岩先蠕变后疲劳力学行为 145
7.3.1 应力-应变*线 145
7.3.2 应变参数 145
7.3.3 模量参数 147
7.3.4 结果讨论 148
7.4 不同温度下盐岩分级蠕变-疲劳行为 149
7.5 蠕变-疲劳模型的损伤分析 150
7.5.1 试验结果分析 150
7.5.2 热损伤与力学损伤变量表征 151
7.6 分形阶导数蠕变-疲劳损伤模型构建及参数分析 153
7.6.1 分形阶导数方法 153
7.6.2 模型建立 154
7.6.3 参数分析 158
7.7 分形阶导数蠕变-疲劳损伤模型数值实现与二次开发 161
7.7.1 模型有限差分形式 161
7.7.2 模型二次开发 163
第8章 沉渣空隙特征及连通性 164
8.1 不溶物沉渣颗粒制备与分析 164
8.1.1 夹层垮塌模拟装置 164
8.1.2 沉渣制备 165
8.1.3 沉渣级配分析 166
8.1.4 块体沉渣形状分析 168
8.1.5 沉渣块体形态特征分析 171
8.1.6 沉渣堆积状态分析 173
8.2 沉渣散体结构空隙特征与连通性试验 174
8.2.1 夹层碎胀-膨胀特性 174
8.2.2 沉渣空隙连通试验 181
8.3 沉渣堆体长期空隙演化特征 188
8.3.1 离散单元法与伺服加载原理 189
8.3.2 数值模拟思路与模型建立 191
8.3.3 结果与演化规律分析 193
第9章 沉渣充填盐穴内有效容积 201
9.1 有效容积计算方法 201
9.1.1 卤水体积变化 201
9.1.2 盐穴弹性扩张 202
9.1.3 腔体形态估测方法 203
9.1.4 沉渣充填盐穴内的有效容积 203
9.2 工程案例及验证 204
9.2.1 盐穴概况 204
9.2.2 液体注入试验 204
9.2.3 表观压缩体积 205
9.2.4 盐穴扩张因子 206
9.2.5 盐穴有效体积 208
9.3 案例验证 208
第10章 结论与展望 209
10.1 主要结论 209
10.2 研究展望 214
参考文献 217

第1章 绪论
　　1.1 能源储备的必要性
　　能源是经济发展和社会进步的基石。随着我国人口的增长和工业化进程的加速，能源需求持续攀升[1]。根据国家统计局数据（图1-1），2004～2023年，我国能源消费总量由23亿t标准煤增至57亿t标准煤，增幅超140%；同期，GDP由16万亿元增至126万亿元，增幅超680%。这种能源消耗与经济增长之间的紧密联系表明，可靠且充足的能源供应对于维持经济稳定和促进持续发展至关重要。
　　数据来源：国家统计局
　　目前，我国是世界**大能源消费和生产国，同时也是世界*大的新能源、可再生能源生产国[2]。国际能源市场中的“双重身份”，让我国面临的能源安全形势更加复杂。图1-2为近20年来我国能源消费结构的变化，其中煤炭占能源消费总量的比重从2004年的约70%逐渐下降到2023年的约55%，石油消费比重在16%～20%波动，天然气和一次电力及其他能源消费比重分别从2004年的2%和8%分别增长至2023年的9%和18%，增幅分别达到350%和125%。尽管能源结构趋向多元化，但油气对外依存度不断攀升[3]。2013～2022年，石油消费总量由4.9亿t增至7.0亿t，进口石油量由2.8亿t增至5.1亿t；天然气消费总量由1705.4亿m3增至3747.0亿m3，进口天然气量由525.4亿m3增至1506.5亿m3（图1-3）。同期，石油对外依存度由57.1%升至72.8%，天然气对外依存度由30.8%升至40.2%。这一高比例的对外依存度会使中国经济易受国际能源市场波动和地缘政治风险的影响。
　　相较于美国、日本等发达国家普遍建立的、可满足数月消费需求的油气储备体系，中国的油气储备能力明显不足[4，5]。如图1-4所示，中国石油储备量约占40天消费量，低于国际公认的90天净进口量的安全标准；天然气储备量仅占年消费量的6%（截至2024年底），远低于国际*低标准所需的15%。尽管近年来油气储备建设取得了一定进展，但与发达国家相比仍存在较大差距。中国较高的油气对外依存度进一步凸显完善油气储备体系的紧迫性。因此，加快油气储备设施建设已成为中国能源安全战略的重中之重。
　　与此同时，中国电力结构正经历深刻变革。2010～2022年，火电占比由79%降至67%，而以水电、风电、太阳能为代表的清洁能源发电占比由21%升至33%（图1-5）。特别是2011～2023年风电和2016～2023年太阳能发电量分别增长了约16倍和6倍以上（图1-6），表明中国在推动能源结构转型、发展清洁能源方面取得了显著成效。2020年，中国正式提出的“双碳”目标，为中国能源转型设定了更明确的方向[6，7]。为实现这一目标，需进一步提升风能、太阳能等可再生能源的发电比例。然而，风能和太阳能的间歇性和波动性特征对电力系统的稳定性提出了挑战[8-10]。因此，在能源转型和“双碳”目标的双重背景下，大力发展储能电站已成为中国构建新型电力系统、促进可再生能源消纳、保障能源安全的必然选择。
　　电力储能技术可以将用电低谷或新能源机组多余的电能储存起来，在用电高峰期再释放出来，从而实现发电和用电在时间和空间上的分离，提高供电可靠性和电能质量[11，12]。电力储能技术多种多样，根据储存原理可分为物理储能技术和化学储能技术两大类。物理储能技术中以机械能为代表的储能技术有压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）、抽水蓄能和飞轮储能等[13]，化学储能技术中以电化学技术为例有锂离子电池储能、液流电池储能、钠硫电池及氢储能等[14，15]。不同的储能技术具有不同的原理、性能、规模等，这使得它们适用于不同的场景（表1-1）。一般用于国家电网的储能技术需要长时、低频的大规模储能系统[16]，其中*具代表性的有锂电池、抽水蓄能、压缩空气储能。锂电池近年来在微电网与风能的调节上得到了较为广泛的应用[17]，但其安全性及成本问题是亟待解决的关键因素[18]。抽水蓄能电站是目前应用*为成熟的电网储能技术[19]，其原理是在用电低谷时，将下游水库中的水抽到上游水库中保存，待到用电高峰期，将上游水库中的水释放出来带动发电机发电，从而实现将势能转化为电能的目的[20]。抽水蓄能技术能量转换效率较高、寿命长，且具有较高的安全性和环保性，使其在全球范围内得到广泛应用。截至2024年底，我国抽水蓄能电站投产总装机容量达5869万kW[21]。目前，尽管抽水蓄能技术已经非常成熟，但其对地势、高差的依赖限制了抽水蓄能电站更广泛的应用[22]。
　　1.2 盐岩及地下盐穴
　　盐岩地层因其三个*特的性质被认为是适合地下储备碳氢化合物的优良场所。
　　（1）良好的流变性。与其他脆性岩石相比，盐岩展现出较大的变形及良好的延性，单轴条件下破坏时的极限应变可达4.5%[24]。
　　（2）极低的渗透率。盐岩的渗透率通常为10-19～10-21m2，盐岩的孔隙结构和低孔隙率是其低渗透率的根本原因，极小的孔隙半径导致在孔隙中产生很高的毛细孔压力，Klinkenberg效应、毛细管压力阻碍流体在孔隙中的运移和扩散[25]。影响盐岩渗透率的内部因素为孔隙结构（岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及相互关系）和构造（不同大小孔隙的空间排列和分布特点，以及它们之间的相互关系），外部因素包括应力状态和开挖扰动等。当盐岩所处的应力状态没有超出损伤临界值时，盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率，当盐岩发生损伤后，其渗透率明显增加；在其他条件相同的情况下，作用在盐岩上的围压越高，盐岩的渗透率越低。
　　（3）损伤自恢复特性。损伤后的盐岩在一定条件下会发生晶界生长、内部微裂隙逐渐愈合，宏观上表现为力学性质的强化和渗透率的减小，在微细观上表现为微裂纹的闭合、裂隙尖端的闭合与修复、裂隙面的重新连接、张开裂隙内部生长基上晶体生长与裂隙填充等。损伤主要表现为微裂纹与微空隙的发育，损伤愈合后微裂纹微空隙减少，盐岩结构完整性与力学性质得到恢复（图1-7）。自愈合的机制包括压力闭合、表面能驱动下的扩散效应及盐岩内部晶体再结晶作用，影响盐岩损伤自愈合特性的主要因素有压力、温度、初始损伤、湿度、化学环境等，其中围压、温度、湿度的增加对盐岩损伤愈合有促进作用，初始损伤越大越不利于盐岩损伤的愈合[27，28]。在地下盐穴储库运行初期，压力闭合机制在盐岩损伤愈合过程中发挥主要作用，表面能驱动下的扩散效应及盐岩的再结晶作用在储库长期运行期间发挥重要作用[29，30]。姜德义等[31]基于剪切后的自恢复试验发现：自恢复对盐岩内摩擦角的恢复作用明显，而对黏聚力的恢复作用不明显；对盐岩损伤自恢复的研究可以分为长期和短期，试验中两者的分界点为7d左右，盐岩自恢复并不简单是力学特性的增强，更体现在综合性质的改善和部分力学性质的劣化。
　　图1-8为世界上不同国家和地区的典型盐岩样品照片，国外的盐岩从外表来看颜色单一透光性较好，其内部的纯度较高，均质性好，如巴基斯坦、德国、法国、加拿大和英国