不同温度条件下盐岩卤水浸泡后损伤自恢复特性

为了研究地下盐穴开挖扰动区(EDZ)损伤盐岩在盐穴综合利用过程中的自恢复特性,设计了损伤盐岩在卤水温度作用下的自恢复试验。结果表明:损伤盐岩经过卤水浸泡后在不同温度下烘干时力学性质可以得到恢复,在试验温度范围(35～80℃)内,其恢复效果随着温度的增加而增强。经过恢复处理的损伤盐岩试件二次加载时的声发射特征显示,其Felicity比低于0.1,Kaiser效应基本不成立,说明损伤盐岩在自恢复处理过程中其内部损伤在细观尺度上发生愈合。根据损伤盐岩试件自恢复处理后的细观形貌特征,总结出盐岩损伤恢复3种不同的细观机理:(1)基于扩散作用的损伤微裂纹愈合;(2)基于NaCl晶体重结晶作用的微裂隙充填;(3)破碎区NaCl晶体颗粒的愈合粘结。盐岩损伤恢复过程中,裂纹中充填的饱和卤水为裂纹中的物质传递提供了通道,同时提供了大量的结晶基础物质,为盐岩损伤愈合奠定了基础;温度的升高为盐岩损伤恢复提供了更高的能量,提升了损伤愈合速度,同时使氯化钠重结晶密度增加,从而提高了损伤恢复程度。     

不同温度条件下盐岩卤水浸泡后损伤自恢复特性

为了研究地下盐穴开挖扰动区（EDZ）损伤盐岩在盐穴综合利用过程中的自恢复特性,设计了损伤盐岩在卤水温度作用下的自恢复试验。结果表明：损伤盐岩经过卤水浸泡后在不同温度下烘干时力学性质可以得到恢复,在试验温度范围35～80 ℃内,其恢复效果随着温度的增加而增强。经过恢复处理的损伤盐岩试件二次加载时的声发射特征显示,其Felicity比低于0.1,Kaiser效应基本不成立,说明损伤盐岩在自恢复处理过程中其内部损伤在细观尺度上发生愈合。根据损伤盐岩试件自恢复处理后的细观形貌特征,总结出盐岩损伤恢复3种不同的细观机制：基于扩散作用的损伤微裂纹愈合,基于NaCl晶体重结晶作用的微裂隙充填以及破碎区NaCl晶体颗粒的愈合黏结。盐岩损伤恢复过程中,裂纹中充填的饱和卤水为裂纹中的物质传递提供了通道,同时提供了大量的结晶基础物质,为盐岩损伤愈合奠定了基础。温度的升高为盐岩损伤恢复提供了更高的能量,提升了损伤愈合速度,同时使氯化钠重结晶密度增加,从而提高了损伤恢复程度。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

二次加载盐岩损伤自愈合与应变硬化试验研究

为研究损伤盐岩的应变硬化和损伤自愈合特性,通过力学试验、孔渗测试试验、核磁试验,探究损伤盐岩于常温静置和围压保压两种情况下盐岩试样的力学性质、渗透率和孔隙度以及孔径分布在应变硬化和损伤自愈合的共同作用下的变化规律,结果表明：（1）损伤盐岩的应变硬化使得岩样塑性减弱,二次加载峰值应变减小,弹性模量变大。常温静置或围压保压处理后盐岩发生损伤自愈合,塑性逐渐恢复,二次加载时峰值应变增大,弹性模量减小。（2）完整盐岩和损伤盐岩试件的应力-应变曲线几乎没有压实阶段,而经过长时间常温静置和围压保压处理后的试件应力-应变曲线出现了明显的压实阶段。（3）完整盐岩渗透率和孔隙度极低,损伤盐岩的渗透率均高出完整盐岩两个数量级,并随着常温静置时间的变长,渗透率和孔隙度缓慢减小。围压保压后的损伤盐岩的渗透率恢复到了与完整盐岩相同的数量级。（4）常温静置和围压保压作用后,部分中孔和大孔愈合成小孔和中孔。（5）常温静置下损伤盐岩就会产生缓慢的损伤自愈合,而围压保压作用可以大幅度提升盐岩损伤自愈合的速度。（6）盐岩的损伤自愈合可分为前期的快速阶段和后期的缓慢恢复阶段。     

盐岩损伤自愈合特性研究综述

盐岩具有渗透率低、延展性高、蠕变特性好以及损伤自愈合等特性,已经成为国内外公认的地下石油天然气储库以及储存放射性废料最理想的储存介质之一。盐岩损伤自愈合作为盐岩损伤演化重要的一部分,对储库开采扰动区盐岩力学稳定性以及渗透性具有重要影响。从发生机理、影响因素、本构模型等方面综述了国内外盐岩损伤自愈合研究进展,总结了国内盐岩损伤自愈合研究成果。盐岩损伤自愈合主要机理包括压力闭合、表面能驱动下的扩散效应以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。对考虑盐岩损伤自愈合特性的MDCF模型以及Lux/Hou模型作了简要介绍。最后指出了我国含杂质层状盐岩损伤自愈合特性值得关注的几个重点研究方向。     

盐岩损伤自愈合特性研究综述

盐岩具有渗透率低、延展性高、蠕变特性好以及损伤自愈合等特性,已经成为国内外公认的地下石油天然气储库以及储存放射性废料最理想的储存介质之一。盐岩损伤自愈合作为盐岩损伤演化重要的一部分,对储库开采扰动区盐岩力学稳定性以及渗透性具有重要影响。从发生机理、影响因素、本构模型等方面综述了国内外盐岩损伤自愈合研究进展,总结了国内盐岩损伤自愈合研究成果。盐岩损伤自愈合主要机理包括压力闭合、表面能驱动下的扩散效应以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。对考虑盐岩损伤自愈合特性的MDCF模型以及Lux/Hou模型作了简要介绍。最后指出了我国含杂质层状盐岩损伤自愈合特性值得关注的几个重点研究方向。     

围压作用下盐岩应变与损伤恢复试验研究

为了研究盐岩在特定环境下的损伤自恢复效应,通过改变盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个变量分别开展了损伤盐岩保压恢复试验。基于材料破坏的应变控制理论,主要分析了盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个因素在压力恢复作用下对盐岩应变恢复和损伤愈合进程的影响。试验结果表明:围压可以改变盐岩自恢复能力;盐岩应变恢复可以分为应变快速恢复、减速恢复与缓慢恢复3个阶段,这3个阶段与围压大小、裂隙发育度、时间之间存在密切关系,该恢复趋势呈现出类似负指数型降低趋势;保压时间和围压的增加在一定范围内都可以加强损伤试件的应变恢复效果与损伤愈合能力;盐岩保压期间围压的增加都相对地加快了整体的恢复速率,延长了减速恢复阶段的时间;较大初始损伤的试样虽在保压期恢复速率较高,但并未改变恢复后损伤大小的排序;较大的围压可以促使应变恢复和损伤愈合,但过大的围压容易造成应变假恢复和损伤增加的现象。     

循环荷载下花岗岩细观损伤量化试验研究

在循环荷载作用下,花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,因此对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。利用扫描电镜（SEM）拍摄得到昌江花岗岩的大量细观结构图片,利用数字图像技术对图片进行处理,提取微裂纹的细观几何信息。从矿物晶体和微损伤形式两个角度定量分析了循环荷载作用过程中的细观损伤特征。研究结果表明：①循环荷载作用过程中穿晶裂纹大部分出现在长石晶体内,而云母晶体则以沿晶裂纹为主;②在3类微裂纹中以沿晶裂纹发育速度最快,是疲劳损伤中主要的损伤形式;③沿晶裂纹和穿晶裂纹发展中所消耗能量占微裂纹开裂能量的大部分     

升温过程中盐岩动力特性实验研究

利用超声波技术对盐岩进行了升温过程中(无侧压,温度为20～270 ℃) 的动力学测试,分析了超声波波速、动弹性常数以及温度所导致的损伤变化规律。试验结果表明,随着温度升高,盐岩的超声波波速、动弹性模量和泊松比都有不同程度地降低,且呈现一定的规律性。试验过程中所观察到的现象和理论分析说明,盐岩的热损伤主要由矿物失水和晶间裂纹所导致,损伤变量和平行轴向相对裂纹密度随温度的升高而增大,但速度逐渐变缓,试验中未观察到温度对盐岩损伤的门阀值以及损伤愈合现象。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

卤水浸泡环境下盐岩剪切特性影响因素分析

为了解水溶造腔过程中盐岩在卤水浸泡环境中的剪切特性,设计了盐岩剪切特性影响因素的正交试验,研究了卤水浸泡时间、温度和加载速率对盐岩剪切特性的影响规律。试验结果表明,卤水浸泡会弱化盐岩的抗剪强度,卤水浸泡时间越长盐岩抗剪强度越低,但最终趋于稳定;卤水温度升高,加剧盐岩内部损伤,盐岩抗剪强度随之降低;经一定温度卤水浸泡后盐岩的抗剪强度随加载速率的增大而降低,且其延性特征也随浸泡时间、温度和加载速率的增大逐渐减弱。通过对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对盐岩抗剪强度的相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算出温度、加载速率和浸泡时间等影响因素的权值分别为0.397,0.340,0.263。极差分析和权值计算表明,盐岩剪切强度的影响因素主次关系依次为温度、加载速率和浸泡时间。     

复杂卸荷条件下卤水流量对盐岩溶解损伤特征研究

为了解水溶造腔过程中盐腔围岩在应力-溶解耦合作用下的溶解损伤机制,利用高温三轴盐岩溶解特性试验机,开展了复杂卸荷条件下(即卸围压的同时增加轴压)不同卤水流量对盐岩的溶解损伤特征研究。研究发现,盐岩的应力和溶解作用相互影响,共同决定盐岩试件在卸荷溶解过程中的变化特征。表现为:卸荷过程中偏应力越大,盐岩溶出速率越大,而且出水口卤水浓度随卸荷溶解时间呈现显著的二次函数关系;盐岩在溶解作用下其力学强度降低,变形能力不断增强,而且流量越大,变化趋势越明显。通过对盐岩卸荷溶解过程中有效溶解面积构成的分析,建立了盐岩卸荷溶解作用下的有效溶解面积模型,分别得到了各有效溶解面积随溶解时间和应力水平的变化方程,并在此基础上构建了盐岩卸荷溶解损伤演化方程,为进一步开展盐岩的损伤-溶解机制研究提供了理论和试验基础。     

基于岩石“等效损伤”探究宏观断裂规律

岩石损伤几乎都是由多因素造成的耦合损伤。通过对试件进行SEM试验,并利用IPP数字图像处理软件分析各种损伤的裂纹共有演化规律,提出等效损伤理论。结果表明:①不同损伤裂隙都具有统计自相似性;②细观大缺陷重点发育现象是宏观应力集中的细观体现;③微裂纹宽度扩展速率远小于长度的扩展速率;④用耦合损伤试件加载破坏试验数据验证宏观断裂强度公式,表明:宏观尺度下"等效损伤"仍然成立,且可以解决耦合损伤引起的宏观断裂问题。     

层状盐岩石膏夹层在腐蚀条件下断裂韧度试验及其弱化机制研究

国内盐岩矿床的典型特征是夹层多,其中云应、平顶山地区多为石膏夹层。盐岩储库在建造和运行过程中,夹层会浸泡在卤水和石油中。为了研究石膏夹层在腐蚀条件下的断裂韧度和弱化损伤机制,采用国际岩石力学学会建议的V形切槽巴西圆盘试验(CCNBD)试件,分别将其浸泡在淡水、半饱和卤水、饱和卤水和酸性石油中,温度分别为20℃、50℃、80℃,浸泡时间为1个月,并与干试件进行对比。研究结果表明:同一种液体浸泡后,石膏的断裂韧度随着温度的升高而急剧下降,而同一温度下,石膏的断裂韧度随着卤水的浓度增大基本不变。水和卤水浸泡后的石膏断裂韧度变化程度要大于酸性石油。石膏在水和卤水浸泡后的弱化机制是由于水-温度-氯离子的作用,其中水-温度的作用占主导,氯离子的侵蚀作用较小;酸性石油浸泡后的弱化机制是因为温度破坏了氢键及受热膨胀,同时另一原因是石膏和酸性石油(环烷酸)发生弱反应。环烷酸和石膏发生环烷酸钙,而环烷酸钙溶于油相有利于反应正向进行。上述研究对评估盐岩储库的稳定性及其密闭性具有重要意义。     

单轴压缩下含表观裂纹盐岩力学特性试验研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统,对不同形态的含表观裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,分析了表观裂纹对盐岩的强度和变形性能影响以及盐岩表观裂纹扩展及其贯通模式。表观裂纹扩展演化主要分两类:一类是试件初始表观裂纹扩展形成主裂纹;二类是试件初始表观裂纹闭合,而重新萌生微裂纹,聚集、扩展形成主裂纹,同时,附近伴随生长次生裂纹。表观裂纹盐岩的贯通模式主要表现为拉贯通和拉剪贯通,未呈现明显的压贯通等其他贯通模式;受自身结构致密性影响,裂纹贯通路径呈现明显的曲折线。竖向贯通裂纹对盐岩变形模量影响较大,而倾斜裂纹对盐岩变形模量影响相对较小。     

应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究

采用声波技术研究盐岩在单轴载荷条件下的损伤特征,并对受损盐岩进行溶解试验分析,以此来分析盐穴建造期盐岩的损伤溶蚀机制。试验发现：随着轴向应力的增加,侧向波速逐渐较小,在达到极限强度后波速快速减小,而不像轴向波速那样在弹性压密阶段会出现小幅增加之后才开始减小;盐岩所受压力越大,对应的溶解速度越快。由岩石单轴强度理论和损伤理论分析表明,盐岩应力损伤由盐岩晶粒相互错动促使微裂纹增多所致,侧向波速确定的损伤变量与应力具有相关性,盐岩的溶解速率随损伤变量的增加而增加。     

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于Weibull分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数抗拉强度内摩擦角节理模量黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。     

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。     

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄-太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。     

单轴条件下层状盐岩的表面裂纹扩展分析

利用荧光法和细观分析技术对单轴条件下层状盐岩表面裂纹扩展及分布进行了研究,并简要分析了国内外盐岩物理力学性质的差异。试验结果表明：纯盐岩表面裂纹以盐晶粒间错动裂纹为主,晶间裂纹扩展贯通形成破坏性主裂纹,裂纹分布受盐晶粒大小及分布均匀性的影响,国外细晶粒盐岩的强度和变形能力均大于国内粗晶粒纯盐岩;纯夹层表面裂纹多产生在几种矿物交杂沉积处,裂纹分布由夹层矿物成分和组成结构决定;含夹层盐岩表面裂纹扩展分布受夹层与盐岩界面过渡形式影响,一般锯齿型交界面裂纹由盐岩部分主裂纹向夹层扩展而成,而过渡分明并含有薄泥层的交界面裂纹由盐岩部分主裂纹和泥层碎散型裂纹汇集扩展而成