层状盐岩力学特性与蠕变机理研究

对层状盐岩力学特性进行实验与分析,获取相应的力学特征参数,是盐岩地下溶腔蠕变特性数值模拟的必要步骤,是数值计算中力学模型的组成要素。本文通过单轴压缩、三轴压缩和压缩蠕变等实验,获取层状盐岩短期强度特性和长期蠕变特性的力学特征参数,为盐岩蠕变模拟提供必要的参数支持。在此基础上,本文对层状盐岩蠕变机理进行分析,并将对盐岩蠕变率方程进行解析,为构建盐岩蠕变本构模型作铺垫。     

盐岩夹层蠕变特性实验研究与理论分析

通过对湖北应城盐岩夹层160 d的单轴压缩蠕变试验研究,可知湖北应城盐岩夹层具有良好的蠕变特性,盐岩夹层蠕变来自两部分,一部分为盐岩蠕变,另一部分来自夹层蠕变,且纯盐岩蠕变率高于夹层,横向应变率大于夹层。根据试验结果,拟合试验曲线得出了盐岩夹层蠕变经验公式,由最小二乘法得到盐岩夹层蠕变经验公式拟合参数;并分析了曲线特征,建立了盐岩夹层蠕变理论模型,得出了盐岩夹层的粘弹塑性本构方程,为盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据。     

盐岩蠕变对固井质量的影响

盐岩具有较好的可塑性,在钻井及固井过程中易发生塑性变形或蠕动流动,经常造成盐岩层段固井水泥胶结较差。为给盐层段固井质量评价提供理论依据与指导,通过盐岩力学及蠕变实验获取了盐岩力学特征及蠕变特性参数,构建了盐岩蠕变模型,分析了研究区的实际工程资料。结果表明：相同应变条件下,围压越大,盐岩承载能力越强,弹性模量越大;不同围压条件下,盐岩表现为典型弹塑性变形特征,盐岩破坏类型为扩容破坏;偏应力越大,瞬时弹性应变越大,稳定蠕变应变率越大;随着盐岩的蠕变,固井二界面密封能力在短时间内迅速增大,1000h后增速变缓并以一较小的稳定速度继续增大,且工程实践与数值模拟结果得到相互验证。可见评价模型与方法对盐岩层段固井质量评价具有积极实践意义,亦可对其他地区类似地层提供有意义的借鉴。     

盐岩岩芯制备方法及蠕变特性

世界范围内分布着大量的盐下油气田,由于盐层取芯作业造价昂贵,因此难以针对具体区块的盐岩岩芯进行蠕变实验。针对以上难题,本研究创建了一种人造盐岩岩芯压制方法,通过调整制备温度和压力来控制重结晶程度。通过测试在不同制备条件下的盐岩岩芯的声波速度、密度、单轴峰值强度,优选出了最佳的制备条件,并通过蠕变实验验证了人造盐岩岩芯与天然盐岩岩芯具有相似的蠕变特性,通过人造盐岩岩芯代替天然岩芯的方案是可行的;基于室内蠕变实验构建了盐岩的粘弹性本构模型,研究发现,盐岩的减速蠕变阶段的流变特征符合Kelvin模型,稳态蠕变阶段符合Heard模型,编译UMAT子程序描述其减速、稳态阶段蠕变特征,具有较好的拟合度,表明本研究中构建的粘弹性模型的适用性;对不同含量硬石膏的复合盐岩进行了蠕变实验,结果表明硬石膏的存在对盐岩的蠕变具有一定的抑制作用,盐岩中硬石膏含量越高,岩石的蠕变速率越低,因此在含有硬石膏的盐膏层中,可适当降低钻井时所使用的钻井液的密度。     

平顶山盐岩力学特性及废弃盐腔稳定性分析

为了分析废弃盐腔的稳定性,对平顶山盐矿、盐岩、泥质硬石膏岩样进行单轴和三轴压缩试验以及蠕变试验,获得相应的力学特征。对平顶山盐矿某区压裂井、连通井和单井等建库完成后的腔体稳定性进行了数值模拟。结果表明,盐岩层呈现良好的延性变形特征,含泥质硬石膏岩夹层呈现脆性变形的特征。溶腔形状对腔体位移、应力分析以及稳定性等影响较大,从溶腔废弃开始到运行10a,道1井溶腔的最大位移出现在溶腔顶部靠右侧的位置,D1-2单井溶腔的最大位移出现在溶腔围岩边缘腰部位置,而L3-3压裂井溶腔顶部的位移值过大,溶腔顶部和底部已经坍塌,在泥岩夹层处应力集中现象比较明显。道1井溶腔左上角和右上角位置出现塑性区,D1-2单井溶腔顶部位置出现塑性区,在D1-1和D1-2溶腔群的矿柱之间出现了比较大的应力集中。在储气库运行期间,应该提高储气库的最低运行压力并缩短其在低压下的运行时间。     

盐岩地层中蠕变对石油套管强度的影响

采用常蠕变速率假定,研究了盐岩地层中石油套管的长期蠕变变形和强度问题。结合具体实例,考虑套管本身及盐岩地层的蠕变,给出了石油套管轴对称平面应变问题变形与强度的计算方法,并用有限元方法进行了比较验证。分析了套管壁厚及岩层特性等主要因素对套管强度的影响。为石油套管的强度设计和寿命预测提供了参考理论。     

不同初始应力下软岩卸荷蠕变试验及长期强度

软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明：破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。     

含杂质盐岩典型蠕变模型的参数识别与对比分析

通过分级加载蠕变试验,测定了两组成分相近、杂质随机分布的盐岩蠕变数据。基于一组试验数据,对目前常用的几种盐岩蠕变模型,Bailey-Norton模型、伯格斯(Burgers)模型、西原模型和分数阶蠕变模型蠕变模型参数进行参数识别,并采用识别的参数计算另一组的蠕变变形,对比分析各个模型在描述含杂质岩盐蠕变变形方面的适用性。结果表明:分数阶蠕变能较好地刻画盐岩蠕变损伤引起的力学性能变化。本文给出的典型盐岩蠕变模型参数和模型对比分析结果,含杂质盐岩蠕变研究中,模型选用和参数识别具有一定的指导意义。     

基于多元正态分布理论的盐岩蠕变参数概率分布

 根据某拟建储气库库址盐岩的蠕变实验数据和蠕变变化规律,基于伯格斯蠕变模型拟合得到该库区盐岩的蠕变参数。将各蠕变参数当作随机变量,考虑盐岩形成过程及蠕变实验过程中多种随机因素对蠕变参数的影响。考虑各蠕变参数之间的相互联系,假设由各蠕变参数变量共同构成的五维总体随机样本服从五元正态分布,求解得到该五元正态分布的联合密度函数,通过协方差阵揭示各蠕变参数之间的联系,并利用χ²统计量的Q-Q图检验法对多元正态假设进行检验。结果表明,由各蠕变参数变量共同构成的五维总体随机样本可以很好地服从五元正态分布。研究结果可为盐岩蠕变参数概率分布的研究提供参考。     

盐岩时效特性实验研究与理论分析

通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;盐岩稳态蠕变率是应力状态的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。     

金坛储气库岩盐蠕变特性及其实用本构研究

通过对金坛盐矿储气库岩盐大量的实验发现:在不同应力水平作用下,岩盐的瞬态蠕变变形介于0.1%到2%之间,一般高应力水平作用下的变形量较低应力水平作用下的变形大;试件的稳态蠕变率从0.0023%/h到0.15%/h变化不等,随应力水平的提高,岩盐蠕变率变化十分明显。表明:应力水平越高,瞬态蠕变变形和稳态蠕变率均越大;反之亦然。在分析应力水平与蠕变变形关系实验及理论分析的基础上,结合金坛储气库实际,建立了基于应力水平的岩盐瞬态及稳态蠕变综合本构方程。该本构方程理论计算与实验结果吻合较好,可为金坛储气库运营的稳定性分析提供一定的参考依据。     

基于分数阶导数的盐岩流变本构模型

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2封存、高放废物处置等具有十分重要的意义.本文从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上,提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件.通过将分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,构建了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了流变本构模型的解析解.论文进一步应用程控流变仪进行了湖北江汉油田王储1井盐岩试件的单轴流变实验,基于盐岩流变实验数据,对分阶导数流变本构模型的参数进行了拟合分析,确定了模型中的参数.论文还进行了分数阶流变模型中的参数敏感性分析,揭示了应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对流变应变的影响规律,并验证了分数阶流变本构模型在特殊条件下可退化为经典西原模型.研究发现,本文提出的分数阶流变本构模型可以更好反映盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段.     

考虑黏弹塑性应变分离的岩石复合蠕变模型研究

依据不同偏应力下石灰岩循环加卸载蠕变试验数据提出和建立瞬时弹性体(IEB)、瞬时塑性体(IPB)、非线性黏弹性体(NVEB)和黏塑性体(VPB)分别用于描述瞬时弹性应变、瞬时塑性应变、非线性黏弹性应变和黏塑性应变,并将这四者串联,建立能够同时反映岩石加、卸载过程的复合蠕变模型。根据非线性流变理论推导岩石在一维、三维应力状态下的复合蠕变模型加卸载蠕变本构方程,最后采用试验数据对模型合理性进行验证。研究结果表明：当复合蠕变模型综合考虑瞬时弹性应变、瞬时塑性应变、非线性黏弹性应变和黏塑性应变时,模型理论曲线与试验曲线高度吻合;所建模型不仅能够描述石灰岩加载过程中非线性蠕变特征,还能描述卸载过程中应变随时间的变化规律,不同偏应力下试验曲线与理论曲线相关系数均大于0.968,对比结果验证复合蠕变模型的合理性和可行性。     

关于地下岩盐溶腔利用的特性研究

岩盐的蠕变、卤水的热膨胀以及卤水的渗漏是影响地下岩盐溶腔长期演变过程的三个主要因素．综述了国外在这三个方面的研究现状，以及国外学者所得到的一些结论．由于我国对岩盐溶解机理、岩盐溶腔的利用以及岩盐溶腔长期演变特性的研究相对薄弱，提出了在地下岩盐溶腔利用的过程中的一些建议．     

北皂煤矿海域开采覆盖运动和矿山压力(显现)控制研究

海域下厚煤层放顶煤的开采是中国的创举,以龙煤集团北皂煤矿的实际开采为例,详细阐述了海域下厚煤层开采“随动加栽作用”对矿山压力显现的影响,只有充分了解和掌握矿山压力的运动规律。才能为安全高效开采提供可靠的保障。     

深部盐膏岩地层套管磨损后等效应力分析

针对盐膏层蠕变和套管磨损联合作用下套管变形破坏的关键技术难题,结合室内盐岩蠕变试验,确定盐膏岩的蠕变参数,考虑盐膏层蠕变的影响,研究深部盐膏层非均匀地应力条件下蠕变、磨损程度、磨损位置对套管等效应力的影响.结果表明:蠕变在一定程度上降低了磨损套管抵抗外部载荷的能力,套管等效应力的非均匀性增强;随着蠕变时间的增加,套管等效应力逐渐增加,在1 a左右达到平衡;套管磨损越深,套管的等效应力越大且非均匀性越强;磨损位置明显改变了套管等效应力的分布规律,沿最小地应力方位磨损时,套管等效应力最大,最容易屈服;磨损位置不同时,只有当磨损程度较小时套管最大等效应力才出现在水平最小地应力方位;沿0°方向磨损时,只有当磨损程度较小时才会有“套管最大等效应力随磨损程度变化不大”的结论.     

蠕变作用下埋深对结构受荷特征影响分析——以广佛环线东环隧道工程为例

为研究在围岩蠕变作用下不同埋深软岩盾构隧道管片结构的受荷特性,以广佛环线东环隧道工程为背景,利用FLAC~(3D)(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)有限差分软件建立了数值分析模型,采用改进的黏弹塑性蠕变本构(burgers-creep viscoplastic model, CVISC),分析了埋深对管片的位移、内力及与围岩的接触压力影响。结果表明:隧道初期开挖之后,顶部围岩沉降,底部发生隆起,考虑围岩蠕变效应后,管片衬砌发生整体沉降,隧道埋深越大,管片体整体沉降越发显著;随隧道埋深的增大,弯矩、轴力与接触压力均逐渐增大。围岩未考虑加速蠕变下,蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同,有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。     

岩石流变性尺寸效应的探讨

本文根据锡矿山南矿页岩的三组不同尺寸的试件所作的单轴压缩蠕变试验结果,研究了这种岩石的流变性尺寸效应,并以此为基础,提出了一种确定岩体流变性的近似方法。