层状盐岩蠕变变形相互作用研究

考虑泥岩夹层和盐岩的弹性性质和稳态蠕变性质,通过数值试验方法计算层状复合盐岩体在单轴和低围压三轴荷载作用下蠕变变形过程中力学相互作用和变形时效规律,分析泥岩夹层和盐岩层因蠕变率不匹配对层状盐岩蠕变的影响,初步讨论了层状复合岩体的复合材料研究方法。结果表明,层状盐岩中泥岩夹层与盐岩因弹性参数不匹配产生的初始应力集中在蠕变过程中发生松弛,因泥岩夹层与盐岩层蠕变率不匹配导致两者之间应力重分布,泥岩夹层对盐岩层的蠕变有明显抑制作用。这些分析体现了层状盐岩蠕变过程的非线性性质,为建立层状盐岩体合理本构模型奠定了基础。     

层状盐岩力学和变形特性数值试验研究

对含泥岩夹层层状盐岩力学和变形特性进行有限元分析。首先,用数值试验方法预测含泥岩夹层层状盐岩体宏观等效弹性力学参数,然后,建立层状盐岩复合体细观有限元模型,研究其在单轴和三轴压缩荷载下盐岩、泥岩以及界面细观应力应变场分布特征、应力集中问题,并将上述研究与已有的理论和试验成果进行对比。结果表明,运用细观有限元方法预测层状盐岩宏观弹性力学参数是一种直观有效的方法;泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致在层状盐岩的泥岩夹层中以及界面边缘处存在较为明显的应力集中和差异变形。单轴压缩时,泥岩体由于侧向变形能力差会受到横向拉伸应力作用而盐岩层则相应的受到横向压应力作用,三轴压缩时因围压和偏应力大小不同层状盐岩细观应力应变场分布特征则更为复杂;此方法能更为直观的分析层状盐岩的变形和破损特征,这一分析结果对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库硐室稳定性分析提供了理论基础。     

层状盐岩体三维Cosserat介质扩展本构模型的程序实现

对层状盐岩体内的油（气）储存硐室进行稳定性计算时,如何选用恰当的本构模型来反映层状盐岩体的特点是至关重要的。针对我国大多数盐矿为多层盐岩的地质构造特征,基于宏观平均意义下的考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,结合FLAC3D软件的主要计算思路,使用VC++平台开发了该模型的FLAC3D接口程序,并编译成动态链接库DLL文件。经算例验证,该程序的计算结果可靠,不仅可以考虑不同力学特性的岩层先后破坏引起复合体单元的渐进损伤破坏,而且引入了夹层体积含量等统计参数后可大大节省单元网格数量,为大型层状岩体内的地下硐室稳定性数值模拟计算奠定了基础。     

层状盐岩体的三维Cosserat介质扩展本构模

考虑到深部地下岩土工程一般是较复杂的三维问题,在层状盐岩体二维Cosserat介质扩展本构模型基础上,针对不同岩层交替而成的互层盐岩体,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,并给出了模型的初步试验验证。该模型既能分析硬（软）夹层对层状盐岩体刚度的强化（弱化）作用,又能考虑由于夹层的存在而导致的层状盐岩构造体宏观意义下力学特性的各向异性,为层状盐岩体及其他层状介质变形和破损分析提供了一种新的思路和方法。该模型可直接推广到非线性问题。结合数值分析软件可进行层状介质体内复杂洞室稳定性分析。     

盐岩地下储气库泥岩夹层分布与组构特性研究

以江苏金坛地下盐岩储气库为例,在区域地质与场地工程地质条件分析的基础上,通过盐岩及夹层分布与岩性分析、泥岩夹层全岩X光衍射试验、黏土矿物X光衍射试验及定量分析、泥岩夹层的粒度试验、崩解试验及水理试验研究表明,金坛地下储气库岩盐层夹层主要为层间夹层与层内夹层,盐岩层间夹层分布稳定,厚度较大,不溶物含量高;盐岩层内夹层层数多,厚度薄,分布不均,不溶物含量低。盐岩层间泥岩夹层的主要矿物为黏土矿物,黏土矿物的主要存在形式为伊利石/蒙脱石混成矿物;泥岩夹层主要为细粒颗粒;泥岩夹层沿层理面崩解,层状开裂软化,具有微膨胀性。对于储库水溶建腔速度、成腔形状与运营期的腔体蠕变具有重要影响。     

层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏及渗透现象研究

通过热力耦合作用下层状盐岩流变实验研究可知,层状盐岩内部各层之间由于蠕变率不同变形不协调,导致层状盐岩体内多重剪切破坏,层间流变破坏后呈网格状,孔隙、裂隙增多,渗透率比未扰动时提高5个数量级,储库长期运行腔体围岩流变破坏后天然气必然发生泄漏。同时,层状盐岩流变破坏后气体渗透实验表明,其渗透率与有效体积应力关系为 。基于裂隙介质,建立了层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏后渗透特性数学模型,并对金坛天然气储库长期运行腔体围岩渗透特性进行了数值模拟,结果表明:由流变破坏造成的盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,夹层内部气体渗透滞后于层间裂隙气压,渗透速度随时间的延长逐渐减小,最后达到稳定状态。所以,高盐分泥岩夹层对天然气储库长期运行腔体围岩的渗透特性具有很大影响,确定合理的运行压力是保证天然气储库不发生渗漏的必要条件,为我国盐岩溶腔储库长期运行腔体围岩天然气渗漏现象研究提供一些参考依据。     

苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

地下盐岩溶腔是CO₂封存的有效地质体,CO₂沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO₂安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO₂盐穴储气库为研究对象,建立了层状盐穴储气库CO₂封存的流-固耦合数学模型,分析了盐岩及泥岩夹层中CO₂运移泄漏规律及其对CO₂安全封存的影响,并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO₂运移速率和泄漏范围的关键,在其影响下,相同封存时间内泥岩夹层中CO₂运移速率和影响范围远大于盐岩,但随封存时间延长,盐岩和泥岩夹层中CO₂运移速率和压力增幅均呈降低趋势,并随着CO₂压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO₂压力正效应共同作用的结果,并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO₂封存时间<3 ...     

含倾斜夹层盐岩体变形与破损特征分析

为了研究含倾斜非盐夹层盐岩体的变形与破损特性,开展了含倾斜夹层盐岩试样的单轴、三轴压缩试验,并结合复合岩体破坏的理论分析,探讨了界面黏结应力的变化规律及其影响因素,揭示了倾斜层状盐岩体变形与破坏特征及其机制。研究表明,倾斜夹层对盐岩体的变形与破损具有显著影响。夹层各部破损形式与其所处位置有关;裂纹在界面处最先萌生、进而扩展到夹层和盐岩层;试验观察到盐斑的穿晶断裂现象并揭示了其力学机制;夹层厚度影响着盐岩体整体性能和破损特性,相对于薄夹层、中厚夹层更容易形成宏观裂纹;围压作用减少了夹层不同部位的破裂形态差异及界面黏结应力差异。该结果为含地层倾角盐岩矿区储气库的造腔优化及其稳定性、密闭性分析提供了理论参考,建议造腔前应优选地质层段,以同时满足稳定性和密闭性要求。     

平顶山盐田互层状盐岩蠕变特性与试验模型研究

地下盐穴储气库围岩变形机理是地质可储性的关键问题。针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,分别采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层三种岩石试样,进行了不同应力水平下的单轴和三轴压缩蠕变试验。蠕变试验结果表明,单轴和三轴状态下三种试样的蠕变均呈现初始蠕变和稳态蠕变两个阶段,互层状盐岩的初始蠕变时间相对较长,稳态蠕变率处于盐岩和泥岩之间,其变形主要由盐岩层贡献,同时层间变形的不协调导致互层状盐岩在稳态蠕变阶段出现泥岩夹层的颈缩内陷和盐岩层的膨胀外突破坏现象。根据互层状盐岩的蠕变特征,建立起蠕变模型,并根据试验数据拟合出模型参数。分析结果表明,理论模型和试验数据吻合较好,拟合参数完全佐证了上述互层状盐岩的蠕变特殊性,为盐田安全建立地下储气库提供一定的参考依据。     

层状盐岩造腔仿真软件开发及其实用性验证

国内层状盐岩具有夹层多、不溶物含量高等特点,现有造腔软件不能很好地模拟国内层状盐岩水溶造腔过程。基于流体力学和化学动力学等理论,建立能够描述盐岩造腔过程的数学模型,并提出了夹层垮塌判据。结合国内层状盐岩水溶造腔工艺特征,开发出能模拟含夹层盐岩水溶造腔的软件Salt Cavern Builder V1.0。该软件可模拟纯盐岩、多夹层盐岩的水溶造腔过程,能较好地反映出造腔方案在现场造腔过程中每个阶段的实施效果。通过大尺寸型盐造腔相似试验,模拟无夹层和含单一夹层的腔体形状扩展过程。基于相似理论基础,在现场造腔工艺条件下,造腔软件模拟出的结果与试验得到的结果接近,验证了该软件的实用性。     

盐岩地下储库围岩界面变形与破损特性分析

鉴于盐岩地下储库界面对储气（油）库稳定性和密闭性的重要影响,分别从细观和宏观方面对其变形与破损特性开展研究。细观方面：开展含界面盐岩的电镜扫描试验,分析表明：盐岩与夹层界面处颗粒结合紧密、相互嵌合,胶结良好,为储库密闭性提供有利条件。宏观方面：基于复合岩体理论构建层状盐岩交接界面的应力表达式,进而分析界面的变形及破损特性。分析表明,界面附近应力状态极为复杂,硬夹层对盐岩体具有约束锚固作用,且界面处易产生应力集中,进而诱发储库围岩体裂纹扩展直至破坏。综合细观、宏观分析表明,裂纹起裂机制和渗透通道形成是界面的细观结构特性及其应力状态共同影响的结果。研究成果为进一步分析地下盐岩储库的稳定性和密闭性提供一定参考。     

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。     

考虑软弱夹层厚度的岩体力学响应及破坏特征研究

作为一种典型的地质结构,软弱夹层与硬脆性岩体共同形成了围岩层状复合结构,进而显著影响着隧洞围岩的稳定。以往对含软弱夹层的复合岩石的研究多集中于单轴、双轴或常规三轴,对隧洞临空面处真三轴应力路径下的复合围岩力学性质和破坏特征缺乏分析讨论。通过制作的含不同厚度的软弱夹层复合岩样,探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。研究表明：软弱夹层厚度显著影响着复合岩样峰值应力和应变,随着厚度的增大,软弱夹层上方岩块向临空面方向的滑移变形逐渐增大,软弱夹层压缩变形逐渐减小;复合岩样靠近临空面的岩石单元破坏模式随着软弱夹层厚度的增大逐渐由拉剪混合破坏转变为张拉破坏,且宏观裂隙数量和破坏范围均逐渐减小,而远离临空面的岩石单元则由剪切破坏逐渐转变为基本无损伤断裂;不同厚度的隧洞侧帮复合围岩的破坏区域均集中在软弱夹层及其上方围岩处,软弱夹层下方围岩则基本保持稳定;在应力分布方面,软弱夹层厚度越大,最大压应力越向深部软弱夹层处转移,而拉应力区分布范围越小,但拉应力区深度越大。     

近置已有盐岩溶腔能源地下储库群特性研究

针对我国须采用密集库群来提高油气地下存储中资源利用率的现状,对近置已有盐岩溶腔库群运营模式下储库稳定性和收缩变形展开了研究。基于声纳测腔成果,建立了符合实际存在的单腔模型及库群模型。对模拟结果进行了对比分析,明确了库群运行模式对储库稳定性的影响规律。发现储库相对位置和深度的差异、夹层地层倾角的存在、相邻储库体积和形状的不等同3个因素会导致某些腔体的收缩变形不对称、腔体形变不规则;不同于单腔的最大位移区域固定出现在腰部,库群模式下受周围腔体的影响,而并无固定的腔壁位移最大点位置;呈现板状存在贯穿整个库群的泥岩刚度大、蠕变性能低,并且其和盐岩交界面的抗剪能力较强,可以提高库群的整体性和稳定性;考虑地层倾角的夹层变形特性成为对库群密闭性不利的影响因素,泥岩-盐岩交接面的拉伸以及泥岩夹层本身的扭转弯曲会使泥岩层产生裂隙,贯通的裂隙可导致各个腔体失去独自运行的能力,影响储库运行效率