盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制

以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,以精铁粉、重晶石粉、石英砂、一级松香和医用酒精为原料,根据相似原理以及金坛盐岩油气储库地层中盐岩、泥岩和盐岩夹层的实测物理力学参数,开展了各种配比条件下材料的单轴压缩、三轴压缩、直剪和巴西劈裂试验,通过原岩和模型材料的重度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等基本物理力学参数以及相应变形特征和强度破坏特性的对比分析,研制出基本满足相似条件要求的盐岩油气储库介质（盐岩、泥岩和盐岩夹层）的地质力学模型相似材料,为开展盐岩地下油气储库运营的变形与失效破坏地质力学模型试验提供了可靠的材料保证。     

红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明：（1）根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;（2）相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;（3）三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。     

煤岩模型试验相似材料的配比试验

相似模型试验是研究煤岩水力压裂裂缝扩展规律的重要手段之一,试验结论的有效性依靠相似材料的正确选材和配比。为开展水力压裂模拟试验,根据目标煤层原煤的力学性能,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,研制出适用于水力压裂试验的相似材料模型。其中,以水泥、石膏作为胶结剂,全粒径煤粉为骨料,通过大量室内试验,重点对相似材料的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、坚固性系数进行测定,对比分析原煤和相似材料强度特性,系统研究不同配比对相似材料参数的影响。结果表明:根据相似材料配比方案得出的相似材料力学性能能够满足煤岩相似模型试验的要求。研究结果可为水力压裂模拟试验中相似材料的选择及配比提供参考和借鉴。      

水泥石膏相似材料配比试验研究

采用水泥石膏相似材料制作标准试件模型,应用正交试验设计方法,以砂胶比、水泥石膏比、重晶石/骨料为3个因素,每个因素设置5个水平,设计了25组材料配比试验,进行了称重、单轴压缩、劈裂试验,获得了不同配比相似材料的密度、抗压强度、抗拉强度等物理力学性质指标。试验结果表明:不同配比的相似材料物理力学指标分布的范围较大,能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求。基于MATLAB计算软件编制了用于正交试验设计和回归分析的软件,得到由水泥石膏相似材料密度、抗压强度和抗拉强度指标推算材料配比的经验公式。在以后的水泥石膏相似材料配比试验中可以用上述经验方程根据欲得到的材料物理力学指标进行配比设计。     

金坛盐岩储气库运营模型试验研究

针对盐岩重度低、低弹强比、高流变性等强度与变形特性,研制出与金坛盐矿盐岩的力学行为较为相似的材料配方;采用地质力学模型试验技术,开展金坛盐岩储气库运行稳定性的模拟试验,研究腔体在周期性注、采气作用下的变形特点与力学分布规律。根据模型试验结果,采用盐岩非线性蠕变损伤本构模型,结合金坛盐岩储气库长期运营进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行对比,研究分析储气库围岩在循环加卸载下的力学响应特点与盐岩溶腔的长期运营稳定性,得到了在周期性加卸载作用下腔体围岩蠕变变形的特点与规律,研究表明相似模型试验技术可以有效地应用于盐岩储气库运营长期稳定性的研究,其结果对盐岩储气库的建造与运行具有一定的指导意义和工程应用价值。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段,选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250～1∶25)的相似模拟试验研制,其强度普遍较小(0.2～7.6 MPa),难以满足较大相似比模型试验的需求。因此,为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料,选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料,以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素,共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验,获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大,抗压强度为3.017～48.179 MPa,能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求;通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律,发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用,骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用,水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用;运用SPSS软件对相似材料配比...     

基于量纲分析的岩石相似材料抗压强度计算模型

物理相似模型试验是复杂、难采矿技术研究的有效手段,而岩石相似材料物理力学特性的研究是试验有效进行的前提。根据相似原理和岩石的力学特性,论证了岩石相似材料单轴抗压强度的力学代表性。统计并分析了影响岩石相似材料单轴抗压强度的一系列因素,基于量纲分析的方法构建了岩石相似材料单轴抗压强度与砂粒径、配比材料总量、充填材料（砂）用量、水用量、养护方式等重要因素间的无量纲计算模型,结合岩石相似材料配比试验得到了定量关系式。选取3组具有代表性的岩石相似材料配比试验对所建立的单轴抗压强度计算关系式进行验证,其计算结果与实验室实测结果相吻合,平均误差为4.20%,定量关系式在岩石相似材料参数的研究上具有一定的合理性。研究结果可以为相似材料物理力学参数的预测及岩土工程物理模型试验相似材料的高效选取提供参考。     

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅰ):岩体相似材料配比试验

结合大型地下洞室群地震模拟振动台模型试验研究,根据相似原理,利用正交试验和二次细化试验相结合的试验方法,对岩体相似材料进行配比试验。选用铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料,石膏为胶凝材料,甘油为调节剂。正交试验以相似材料的密度、抗压强度和变形模量为控制指标,通过极差分析得到各影响因素的重要程度,并在此基础上进行二次细化试验,二次细化试验增加测试相似材料的抗拉强度。这种组合试验方法可通过较少的试验次数得到符合相似指标要求的材料配比,大大提高了配比试验的效率。试验得出的相似材料配比与物理力学指标的变化规律及运用组合试验高效确定具体配比的方法,对类似工程动静力模型试验相似材料模拟具有一定的参考意义。     

铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用

根据地质力学模型试验的相似原理,经过大量力学试验,研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料。该材料由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定配比均匀拌和压实而成,其中铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料,松香酒精溶液作为胶结剂,石膏粉作为调节剂。材料力学参数测试表明：该材料具有重度高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥快速、制作工艺简单、无毒无害等显著优点,可用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。将铁晶砂胶结岩土相似材料应用于沪―蓉―西高速公路大型分岔隧道三维地质力学模型试验研究,有效地揭示了分岔隧道围岩的力学变形特性。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

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。     

流变物质对软土流变参数影响的蠕变试验

流变性是软土的一种长期变形特性,对软土地基的沉降产生重要影响。现有研究表明,软土中高黏性的流变物质是产生其流变特性的主要物质因素,当流变物质分布具有一定均匀性时其流变特性与流变物质的分布形态无关,仅与流变物质本身性质和含量比例相关。通过蠕变试验研究了流变物质对软土流变参数的影响,视强亲水性的膨润土微小颗粒为具有高黏性的流变物质,均匀地把其掺入到人工土试样中进行一维压缩蠕变试验,引入基于邓肯非线性弹性的流变元件模型对蠕变试验曲线进行拟合分析,根据流变物质含量确定流变模型参数的变化规律,建立了模型等效黏滞系数、等效弹性模量和邓肯非线性弹性模量与膨润土（流变物质）含量的关系。模型拟合分析发现,基于邓肯非线性弹性的软土流变元件模型与试验结果具有良好一致性,模型参数与流变物质含量之间关系为双曲线方程。     

盐岩蠕变特性和本构关系研究

对金坛盐岩蠕变规律进行了试验研究,分析了不同应力状态和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过试验获取了蠕变曲线和蠕变特征参数。根据其蠕变曲线特征,用黏弹塑性理论建立了盐岩蠕变本构模型。试验结果表明,稳态蠕变率是偏应力和温度的非线性函数关系,并提出盐岩的稳态蠕变本构方程。通过试验数据拟合得到本构方程中的参数,将理论和试验结果进行比较,结果表明两者的吻合性较好。     

An assessment of the creep behaviour of Brazilian salt rocks using the multi-mechanism deformation model

Salt rocks are geomaterials that exhibit several peculiarities, which require a particular approach in rock mechanics. In the field, those rocks are usually found in layered/bedded deposits and in domes or similar structures. Creep is one of the main deformation mechanisms associated with salt rocks, and this phenomenon is highly dependent on the stress state, temperature and mineralogy. Salt rock mechanics for engineering applications requires the definition of a powerful constitutive model and this is an ongoing challenge. Among the many available models, one of the most sophisticated physical constitutive models for salt rocks is the multi-mechanism deformation creep model (MD model). The main contribution of this work is to present a first effort in the use of the MD model for Brazilian salt rocks. Material-sensitive parameters have been calibrated for the Brazilian halite through two methodologies. Salt is modelled as an elasto-viscoplastic material. Numerical simulations using the finite element method have been carried out for triaxial creep tests, Pre-salt wellbore closure and mining gallery convergence in order to validate the parameter set and the methodologies. Excellent results have been observed in most of the applications for validation. Even so, validation efforts should continue to consolidate the parameters and identify possible limitations.     

饱和盐渍土分数阶蠕变模型及试验研究

采用等温条件下饱和盐渍土的固结蠕变试验研究了其蠕变特性。在元件模型的基础上,通过引入Abel阻尼器和渗透吸力后,建立了饱和盐渍土的分数阶蠕变模型,从表观现象学方面展开了含盐量与饱和盐渍土蠕变特性的相关性讨论。结合试验结果和分数阶模型,拟合分析了渗透吸力同次固结系数与压缩指数的比值 和初始剪切模量以及初始剪切应变的相互作用关系。在蠕变试验的基础上,通过不同应力水平、含盐量的试验结果对分数阶模型进行了拟合分析,并结合给出的黏度系数公式对模型的有效性进行了验证。分析结果表明：次固结系数与压缩指数的比值 随着渗透吸力的增大而增大且呈指数关系,初始剪切模量随着渗透吸力的增大而减小,初始剪切应变与渗透吸力呈现出线性关系。相比与整数阶元件模型,所提出的分数阶蠕变模型更适合于饱和盐渍土蠕变行为的预测。结合试验和模型分析结果,发现含盐量的增大促进了盐渍土的蠕变行为。     

盐岩储气库蠕变损伤分析

通过对盐岩本构关系的实验研究,对Norton Power 盐岩蠕变本构模型引入损伤变量,在损伤等效应力中引入考虑偏应力和围压影响的函数,建立了一种能反映盐岩蠕变和加速蠕变的本构模型。通过对某盐矿盐岩实验数据进行拟合,获得了本构模型的参数,理论曲线与实验曲线吻合得较好。通过三维数值模拟方法,应用该本构模型对某盐矿天然气储存库进行了数值模拟研究,探讨了该盐矿盐岩储气库最低内压工况下,腔周损伤区的扩展、变形规律及最长持续运行时间。研究结果表明：（1）盐岩本构模型在盐岩加速蠕变期具有较好的数值稳定性;（2）在最低运行压力下,腔周盐岩进入加速蠕变期后,储气库损伤区的扩展速度非常快,储气库最危险部位位于腔体顶部;（3）腔周盐岩进行加速蠕变期后,盐岩的腔体体积收敛变形主要表现为损伤蠕变体积收敛,稳态蠕变体积收敛趋于稳定;（4）该盐矿盐岩储气库在该压力下最长持续运行时间约为3个月。     

考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究

根据统计力学原理,以分形岩石力学为桥梁,对盐岩在温度与应力耦合作用下蠕变特性进行了研究,导出了考虑围压效应的损伤变量表达式。综合前人的成果,推导出温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。对盐岩在温度与三轴应力共同作用下的蠕变试验数据进行研究,分析了盐岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征。对于广义Bingham 蠕变模型在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立了盐岩考虑温度损伤的蠕变本构关系。利用盐岩的三轴蠕变试验数据对新的蠕变损伤模型参数进行辩识与比较分析。结果表明,该模型能够很好地反映在不同温度作用下盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的规律,验证了该模型的合理性和正确性。     

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。