盐穴储气库水溶造腔夹层垮塌力学机制研究

盐岩矿床中难溶泥质夹层的存在给地下储库水溶造腔带来了诸多不利影响,如何有效地预测与控制水溶造腔过程中泥质夹层的垮塌成为亟待解决的技术难题。夹层垮塌力学机制研究以该问题为背景,建立了水溶造腔过程中夹层垮塌分析的力学模型,并应用弹性板壳理论进行了求解,根据求解结果对夹层因局部破损及整体失稳引起垮塌的力学机制分别进行了论述,对夹层垮塌的力学机理进行了总结,给出了一种计算夹层极限跨度的方法。研究成果对水溶造腔过程中夹层垮塌的预测与控制有重要指导意义。     

层状盐岩双井流场浓度场试验及数值计算

为了研究层状盐岩小间距双井水溶造腔中流场浓度场特征,进行了相关的模型试验和数值计算。基于量纲分析法搭建了模拟建腔期腔内流场的相似模型试验平台,利用染色法研究了建腔期腔内流场运移规律,并采用时均法测量腔内浓度。试验发现：流量越大,浮羽流极限高度越高,但腔内浓度变化速率减小,排卤口浓度变低;提管高度的改变实际上是改变了淡水相对于腔体的初始空间位置;夹层赋存状态变化实际是改变夹层在溶腔中的空间位置,处于不同区域的夹层会改变腔体流场的运动趋势和作用范围。利用Fluent软件进行3D数值计算,结果验证了室内试验流场的普遍规律,得出同样的分层结果;但在速度分布上,发现流场底部并非无宏观流动,而是自然对流扩散和沉降作用占主导。     

含脆硬夹层盐岩力学特性试验研究

为研究夹层特征变化对含夹层盐岩力学特性及破坏的影响,克服了现场取样的困难,利用自行压制的含夹层盐岩,在试验室进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:夹层和盐岩之间的变形差异对含夹层盐岩的强度、弹性模量等力学特性参数有重大影响。单轴压缩条件下,含夹层盐岩破坏均为由夹层扩展至盐岩的轴向劈裂;含夹层盐岩强度随夹层厚度的增加趋于降低;含双夹层盐岩强度低于含单夹层盐岩;夹层倾角的存在会对含夹层盐岩的强度、弹性模量有削弱作用,并且破坏形式属于滑移和劈裂的综合。三轴压缩条件下,含夹层盐岩的抗压强度、弹性模量、峰值载荷变形量均低于纯盐岩;纯盐岩为侧向膨胀破坏,没有明显的破裂面,而含夹层盐岩中的泥岩夹层部分表现为剪切破坏的特征,盐岩层部分为侧向膨胀。其研究结果为层状盐岩储库的建造和运营提供了有力的试验依据。     

一种盐岩相似材料的试验研究

目前国内外学者主要利用小尺寸盐岩试件进行盐岩造腔理论以及溶腔稳定性方面的研究,所以利用相似材料制备大尺寸型盐模拟盐岩造腔全过程,以及研究溶腔的稳定性是有必要的。利用盐屑在高压下制备成型盐,测试其溶解特性和力学特性。试验表明压制应力为40、60、80 MPa时制成的型盐,其溶解速率变化不大;在压制型盐与天然岩盐的倾角溶解试验中发现,倾角为0°、90°、180°时溶解速率分别是天然盐岩的2.15倍、1.84倍、1.77倍;型盐的单轴抗压强度同压制的应力成正比,压制应力为80 MPa时干燥型盐同天然盐岩强度相当;型盐吸水后强度有所降低,而天然盐岩吸水后强度没有明显变化。所以在适当压制力作用下,利用盐屑压制型盐代替盐岩用于造腔理论及造腔全过程试验和溶腔稳定性试验研究是可行的。     

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。     

潜江地区层状盐岩天然气储库密闭性评价研究

储库的密闭性在地下能源（石油、天然气）储库可行性研究阶段及生产运行阶段都是关键问题之一。结合国内在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,以江汉油田潜江地区盐穴储气库建设项目为工程背景,从现场气密性测试、岩石毛管压力试验、盐岩及夹层扫描电镜试验等多方面对该地区储库的密闭性进行了综合性论证。研究结果表明,江汉油田潜江地区层状盐岩构造满足盐岩溶腔型地下能源储库的密闭性要求。同时,针对该地区的密闭性综合评价对于在层状盐岩构造中修建能源储库时的密闭性论证方法提供了重要参考,并对于建立层状盐岩储库密闭性评价体系具有重要指导意义     

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。     

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。     

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     

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。     

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。     

岩盐中不溶物含量对储气库腔体有效空间大小的影响

主要研究了岩盐不溶物含量对岩盐储气库水溶建腔有效空间大小的影响。根据水溶建腔机理,建立岩盐储气库水溶建腔数学模型,通过岩盐溶腔数学模型,分别对岩盐中不溶物含量不同的地层条件下,岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算,综合分析岩盐中不溶物含量对岩盐储气库水溶建腔的影响规律。     

盐岩地下储气库体积收敛失效概率分析与模型试验验证

盐岩地下储气库受盐岩蠕变特性影响会产生较大的体积收缩变形,影响储气库安全稳定运行。目前对地下储气库体积稳定性分析方法和评价准则各国没有统一标准,国内主要采用数值计算的方法来评价储气库体积稳定性。以江苏金坛盐矿地下储气库体积收敛数值分析为基础,借鉴国外盐岩地下储气库稳定性评价标准,建立盐岩地下储气库体积收敛失效风险评价矩阵,采用一次二阶矩法显示功能函数分析储气库体积收敛失效概率,分析得出：储气库在长期恒定内压工况下体积收敛失效概率随内压的增大而减小;在短期调峰低压工况下体积收敛失效概率随内压的减小而增大;最小内压应保持在4.2 MPa以上。通过交变气压条件下层状盐岩地下储气库大型三维地质力学模型试验得出:储气库体积收敛变形随内压的增大而减小;短期运行最小内压应大于4.0 MPa。模型试验结果与失效概率分析结论较为相似。因此,为避免盐岩地下储气库产生体积收敛破坏,应保证调峰短期最小内压在4.0 MPa以上。     

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。     

薄层状盐岩地下储气库工程地质条件及可行性分析

地下盐穴储气库安全性是蓄气运行的关键地质问题.针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,从薄层状盐岩的渗透性、流变性以及稳定性3个方面,详细讨论了储气库的地质可储性及地面沉降问题.首先采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层3种岩石试样,分别进行了电镜扫描和不同应力水平下的三轴压缩蠕变试验,并应用CYT法对试验区进行了深部盐岩溶腔的探测.鉴于试验区多个采井影响区的重叠,地面沉降量实际监测结果比较复杂,绝对值偏小但具有波动性.综合上述地质特征,作出了平顶山地下盐穴储气库地质条件良好的结论,为我国同类工程提供一定的实际参考.     

盐岩地下储气库风险分级机制初探

能源储备是国家重大战略需求,目前国内已经开始大规模兴建盐岩能源地下储库群,由于国内的盐岩储库地层具有埋深浅、盐层薄、夹层多、品位低等特点,导致建库难度大、运行风险高,因此,开展盐岩地下油气储库风险分析研究具有重要的理论意义和工程应用价值。针对国内盐岩地下油气储库现状,在风险分析中引入功能设计理念,以体积收缩率作为储库运营期风险的单项分级指标,初步提出了地下油气储库运营风险分级机制的基本方法,以国内某盐岩地下储气库为例,通过流变计算获得不同储气内压变化条件下,储库风险随时间的变化规律,较好地验证了所提方法的合理性和有效性。     

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。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。