Strategic Storages of Gas in Salt Layers and Creep and Overburden Effects on Volume Loss

Document Type : Original Article


Department of Civil Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran


The demands for fossil fuels such as natural gas, oil and other hydrocarbon products have been raised in recent decades. Supplying these demands during peak period highlights the importance of storing energy resources during the production. Concerning this issue, storing gas in salt caverns is a suitable method. To describe the mechanical behavior of a typical rock salt due to creep phenomenon, the Multi-mechanism Deformation (MD) creep constitutive model is implemented into the Ansys finite element package using a Fortran routine. To investigate the creep effect on the structural response and volume shrinkage of a salt cavern, an implicit creep analysis is conducted under cyclic loads. The results reveal that applying the overburden pressure leads to a more volume shrinkage of the cavern, while placing overburden layer itself over the salt layer instead of the overburden pressure results in the lower volume shrinkage. Finally, using the contact element between the overburden layer and the salt layer, the volume shrinkage will decrease even further.


Main Subjects

Article Title [Persian]

مخازن استراتژیک گاز در لایه‌های نمک و اثرات خزش و سربار بر کاهش حجم

Authors [Persian]

  • علیرضا سلطانی
  • حسن میرزابزرگ

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

Abstract [Persian]

تقاضا برای سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی، نفت و دیگر محصولات هیدروکربنی در دهه‌های اخیر افزایش یافته است. پاسخ گویی به این تقاضا در دوره اوج مصرف، اهمیت ذخیره‌سازی منابع انرژی را در دوره تولید نشان می‌دهد. در ارتباط با این موضوع، ذخیره کردن گاز در حفره‌های نمکی روش مناسبی است. برای توصیف رفتار مکانیکی یک سنگ نمک عادی بر اثر پدیده خزش، مدل ساختاری خزش تغییرشکل دارای چند مکانیزم (MD) در نرم افزار اجزا محدود ANSYS با استفاده از یک روتین Fortran گنجانده شد. جهت بررسی اثر خزش بر پاسخ سازه‌ای و کاهش حجم یک حفره نمکی، تحلیل خزش ضمنی تحت بارهای چرخه‌ای انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که اعمال بارهای فشاری سربار به کاهش حجم کمتری در حفره نمکی می‌انجامد، در حالی که قراردادن خود لایه سربار بر لایه نمک بجای فشار سربار، کاهش حجم کمتری را در پی دارد. نهایتاً، با استفاده از المان تماس بین لایه سربار و لایه نمک کاهش حجم، کمتر هم خواهد بود.

Keywords [Persian]

  • حفره نمکی
  • مدل خزش MD
  • سنگ نمک
  • خزش ضمنی
  • کاهش حجم
  • بارگذاری چرخه‌ای
  1. Wang, C. Yang, X. Yan, and J. J. K. Daemen, (2015). Allowable pillar width for bedded rock salt caverns gas storage. J. Pet. Sci. Eng., vol. 127, pp. 433–444.

[2]      N. D. Cristescu, (1993). A general constitutive equation for transient and stationary creep of rock salt. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., vol. 30, no. 2, pp. 125–140..

[3]      J. R. Weatherby, D. E. Munson, and J. G. Argüello, (1996). Three-dimensional finite element simulation of creep deformation in rock salt. Eng. Comput. Int J Comput.-Aided Eng., vol. 13, pp. 82–105.

[4]      J. Jin and N. D. Cristescu, (1998 ). An elastic/viscoplastic model for transient creep of rock salt. Int. J. Plast., vol. 14, no. 1, pp. 85–107.

[5]      C. Yang, J. J. K. Daemen, and J.-H. Yin, (1999). Experimental investigation of creep behavior of salt rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol. 36, no. 2, pp. 233–242.

[6]      S. Heusermann, O. Rolfs, and U. Schmidt, (2003). Nonlinear finite-element analysis of solution mined storage caverns in rock salt using the LUBBY2 constitutive model. Comput. Struct., vol. 81, no. 8, pp. 629–638.

[7]      T. Wang, X. Yan, H. Yang, X. Yang, T. Jiang, and S. Zhao, (2013). A new shape design method of salt cavern used as underground gas storage. Appl. Energy, vol. 104, pp. 50–61.

[8]      S. Nazary Moghadam, H. Mirzabozorg, and A. Noorzad, (2013). Modeling time-dependent behavior of gas caverns in rock salt considering creep, dilatancy and failure. Tunn. Undergr. Space Technol., vol. 33, pp. 171–185.

[9]      J. Xie, Tao Gang, (2013). Modeling and Analysis of Salt Creep Deformations in Drilling Applications. SIMULIA, community conference, Vienna, Austria.

[10]    A. Thoraval, F. Lahaie, B. Brouard, and P. Berest, (2015) .A generic model for predicting long-term behavior of storage salt caverns after their abandonment as an aid to risk assessment. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol. Complete, no. 77, pp. 44–59.

[11]    K. Khaledi, E. Mahmoudi, M. Datcheva, D. König, and T. Schanz, (2016). Sensitivity analysis and parameter identification of a time dependent constitutive model for rock salt. J. Comput. Appl. Math., vol. 293, pp. 128–138.

[12]    K. Chan, S. Bodner, D. E. Munson, and A. Fossum, (1996). A Constitutive Model for Representing Couple Creep, Fracture, and Healing in Rock Salt. Presented at the Proceedings, 4th Conf. on the Mech. Behavior of Salt, pp. 221–234.

[13]    Ansys Material Reference. Ansys Inc., 2017.

[14]    K. D. Mellegard and T. W. Pfeifle, (1993). Creep tests on clean and argillaceous salt from the Waste Isolation Pilot Plant. Sandia National Labs., RE/SPEC, SAND--92-7291.

[15]    M. S. Bruno and Gas Research Institute, (2005). Geomechanical analysis and design considerations for thin-bedded salt caverns: final report. Arcadia, CA: Terralog Technologies USA.