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。     

典型盐岩力学特性分析

通过单轴、三轴压缩实验及劈裂等实验研究了湖北云应、江苏淮安和河南平顶山3 个地区层状盐矿岩样的短 期力学特性,并对不同地区及不同深度地层的纯盐岩力学特性进行比较分析。结果表明：（1）3 地区中单轴抗压强度 和弹性模量最大的岩样为泥岩和含泥岩的盐岩,而其泊松比却是最小的,证明了泥岩变形性能差的特性。含有不同杂 质的盐岩其抗压强度和弹性模量有所增加,其泊松比对杂质的变化不是太敏感。纯盐岩抗压强度、弹性模量和泊松比 随地层深度的增加而增大,取自较浅地层的岩样单轴实验有明显的压密阶段。（2）不同地区的岩样都有随围压的增大 峰值强度相应增大的规律。纯盐岩的内摩擦角基本都大于其他岩样的值,而黏聚力则都小于其他岩样的值。反映了纯 盐岩晶体颗粒大,含杂质少的特点。（3）不同地区的纯盐岩相对于其他岩样的抗拉强度最小。     

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。     

损伤层状盐岩蠕变-渗透的流固耦合实验研究

以湖北云应盐矿地下600~700 m含泥岩夹层的氯化钠盐岩试件为研究对象,进行层状盐岩的蠕变-渗透试验。研究结果表明:单轴压缩条件下层状盐岩的衰减蠕变、定常蠕变阶段显现,定常蠕变率保持在7.05×10-6/d左右;在定常蠕变阶段,盐岩层微裂隙稳定扩展,盐岩层与泥岩夹层蠕变特性的差异诱发盐岩-泥岩夹层出现剪切损伤破裂,这种层状盐岩的蠕变破裂为渗流提供了通道;未扰动的层状盐岩致密,渗透性差,而蠕变损伤状态下的层状岩盐透气系数呈数量级增加,而且渗透性能的流固耦合效应十分显著,渗透系数随体积应力与渗透压的变化而发生变化,定常蠕变阶段损伤层状岩盐的渗透系数k与有效体积应力Θe遵循负指数函数规律,其流固耦合方程为:k=2.046 2×10-10exp(-0.061Θe),这可对层状盐岩油气储库的渗漏安全评价提供参考。     

饱和前后软岩各向异性力学特征的对比试验

以泥质粉砂岩和褐红色泥岩为对象,研究单轴压缩条件下软岩干燥和饱和状态时的各向异性力学特征,包括变形各向异性特征和强度各向异性特征.试验结果表明:泥质粉砂岩和褐红色泥岩的弹性模量、单轴抗压强度饱和后均大幅下降,而泊松比增大;饱水后泥质粉砂岩的弹性模量在垂直于层理方向的降低幅度明显小于平行方向,而单轴抗压强度在垂直于层理方向的降低幅度则略大于平行方向,泊松比的变化幅度相差不大;饱水后褐红色泥岩的泊松比在垂直于层理方向的增大幅度明显小于平行方向,而弹性模量和单轴抗压强度变化幅度相差不大.     

盐穴建造期夹层与卤水运移相互作用机理分析

以金坛层状盐岩能源地下储库群建造工程为背景,基于RNG kε湍流计算模型及物质输运理论,研究了盐穴建造期夹层与卤水输运相互作用关系。计算发现,建造期卤水在运移过程中受夹层影响会形成复杂的紊流,一般在夹层附近会产生涡流,其影响程度随腔体扩大而减弱,另外夹层对流场的影响程度还受注水循环方式、注水流量及套管位置等造腔工艺影响。同时卤水的非均匀流动对夹层也会产生不同程度的扰动水压力,一般建腔前期夹层主要受注入流产生的扰动水压力作用,而后期主要受边界质量流作用,卤水对夹层的扰动水压力大小同样受造腔工艺的影响,但无论哪个造腔阶段卤水流动产生的压力都不足以使夹层垮塌破坏。利用PIV技术监测物理模型中的卤水运移规律,实验中卤水运移规律与数值计算结果一致。     

氧化带软岩微观特征与单轴压缩宏观力学性能

为研究氧化带软岩的力学性能,探究微观结构对宏观力学性能的影响.采用微观分析与力学试验结合的方法,对岩石试样分别进行了X衍射分析、电镜扫描试验和单轴压缩试验.试验结果表明:砂质泥岩与泥质砂岩相比,微观结构松散,泥质成分多,容易被孔隙水软化,容易被氧化;砂质泥岩单轴抗压强度为33.45 MPa,弹性模量19.11 MPa,分别为泥质砂岩的52%和58.5%,印证了微观分析的结果,岩石微观结构对宏观力学性能影响显著.研究结论可以用来指导随后的现场设计与施工,对其他材料的力学性能研究起到了一定的借鉴作用.     

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。     

四川盆地区红层弱风化泥质砂岩力学特性试验研究

红层在四川盆地广泛分布,众多工程建筑座落于其地表附近的弱风化带上,通过四川盆地红层弱风化泥质砂岩的系列岩石力学试验,得出其基本力学特性,同时,就水和围压对岩石力学特性的影响进行了讨论．结果表明：岩石的变形在峰值前表现为弹塑性,水对岩石的强度、弹性常数均有明显降低作用,软化系数为0．52,随围压增高强度线性增高,变形模量、弹性模量、割线模量及泊松比呈自然对数增高．其力学参数和相关关系可为有关工程提供参考和借鉴．     

深部盐岩含夹层地层初始地应力场模拟分析

为了对深部盐岩储气库建腔进行可行性分析,结合金坛盐岩矿区地层情况,采用三维快速拉格朗日方法对盐岩地层沉积过程的自重应力分布进行了模拟计算,分析含夹层盐岩地层沉积过程自重地应力场的时空演化规律,得到了含夹层深部地层自重地应力垂直应力和侧压力系数的确定方法.结果表明,静力情况下,初始垂直地应力σv、水平地应力σh与埋深呈良好的线性关系,侧压力系数与半无限空间弹性理论值大体一致;蠕变作用下,岩层水平地应力不断增大直至与垂直地应力相等,最终使得岩层433.2 m以下处于静水压力状态,侧压系数变为 1.总结金坛盐岩层初始地应力场分布规律可知,岩层分层面和夹层赋存的位置水平地应力会产生大幅突变,在储气库建腔设计及施工中应予以高度的重视.     

层状盐岩储库夹层垮塌的理论分析

盐岩矿床中难溶泥质夹层的存在给水溶造腔施工带来了诸多不利影响,如何科学有效地对夹层的垮塌进行预测成为造腔施工中亟待解决的难题。提出了夹层的两种简化力学模型,在圆柱形储库弹性理论解的基础上,应用弹性板壳理论对直接顶板夹层和悬空型夹层分别进行了求解;结合材料的强度破坏准则和整体失稳准则,得到了夹层发生强度及失稳破坏的具体判别式;分别使用推导的公式和数值软件对造腔结束后作用在夹层上的最大径向压应力和最大径向拉应力进行了计算,理论解与数值解的计算误差在0~5%以内。针对国内某盐岩储库地质条件,应用推导出的判别式对造腔过程中夹层的垮塌进行了计算和判断。算例结果表明:推导的方法对难溶夹层的垮塌预测具有较好的实用性。     

南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析

为研究软硬水平互层泥岩的基本物理力学性质、强度特性,选取南宁盆地某典型泥岩层,通过建立水平互层泥岩模型,进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验、三轴剪切试验、天然状态下岩石抗剪断强度试验以及现场标准贯入试验研究,着重考察了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素,结果表明:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0 MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3 MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。②岩相变化大,裂隙发育,具有吸水膨胀失水收缩,并极易软化,水稳定性极差。③抗扰动性能差,无法准确划分风化带,具有较高的超固结特性。     

平顶山盐穴储气库建库地质条件评价

 在平顶山盐岩矿区三维地震解释、资料井及老井钻探成果基础上,对研究区断裂发育、构造形态及盐岩地层横纵向展布特征进行精细研究,并对盖层和夹层分别取心开展室内实验以评价盖层及夹层密封性。通过对平顶山地区盐岩建库地质条件的综合评价,认为该地区适合建设盐穴地下储气库。结果表明:平顶山盐矿总体构造形态简单,盐岩沉积中心断裂不发育且盐层厚度较大;盐岩地层厚度大,横向分布稳定,其中14~20 盐群厚度平均200 m 以上,含矿率高,夹层数量少,可以作为建库的目的层位;盖层及夹层以泥岩为主,微观孔喉结构小,连通性差,渗透性能差,不利于气体的运移,具备一定的封闭能力,满足储气库地质评价要求。     

预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹,为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响,利用MTS-815岩石力学实验系统,对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,采用对数应变对试验结果进行修正,分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响,并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征.结果表明:不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值,但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系;不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用,裂纹越长,弱化作用越大.外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能Ud,小部分累积为可释放的弹性应变能Ue,导致盐岩内部产生损伤和塑性变形.破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等,能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征;盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段.     

考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,基于黏结裂缝模型,构建一种可以考虑层状盐岩地层界面启裂、裂隙扩展和流体渗漏的黏结单元,导出地层界面损伤演化方程、裂隙扩展准则以及缝内流体流动方程,建立考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型,通过典型算例验证模型的有效性。研究层状盐岩地层界面启裂与裂隙扩展过程。研究结果表明:地层的渗透性和裂缝面漏失系数对地层界面裂隙扩展有明显影响,地层渗透性系数越小,地层开裂程度越大;而裂缝面漏失系数越大,地层开裂程度越弱,但流体渗漏程度加大。     

常温下不同浓度盐溶液中石膏细观结构衍化研究

为了研究层状盐岩矿床水溶开采及其中油气储库建造过程中、盐溶液对石膏夹层溶蚀破坏的影响,以及了解不同浓度盐溶液作用下石膏的细观结构变化,本文使用扫描电子显微镜(SEM),对常温下不同浓度盐溶液溶浸作用下的石膏试件进行了细观结构衍化及其特征分析。研究发现:在不同浓度盐溶液中,由于晶体溶浸水化、吸水膨胀以及饱和溶液中晶体析出等作用影响,石膏晶体结构与尺寸会发生不同程度的变化。在不同浓度盐溶液中石膏晶体细观结构的变化,严重影响石膏夹层的物理力学特性,开展不同环境(温度、浓度、压力等)条件下石膏及相关盐岩夹层物理力学特性研究有重要理论意义与应用价值。     

西南红层地区泥化夹层演化过程中的微观特征研究

西南红层地区地质灾害频发,通常造成严重的人员伤亡和财产损失。泥化夹层在西南红层地区分布广泛,是斜坡岩体中工程特性最差的结构面,也是控制西南红层地区斜坡地质灾害的关键因素,常常引发各种工程地质问题。通过对不同期次不同水化作用强度的泥化夹层取样,进行室内试验研究分析,获取了西南红层地区泥质岩层~泥化夹层演化过程中矿物成分、化学元素和微观结构变化规律。根据试验结果将演化过程划分为三个阶段:离子交换吸附阶段、矿物溶解阶段、软化崩解阶段。     

炭质页岩力学特性各向异性及其破坏机制研究

以贵州松桃李家湾锰矿矿体顶板炭质页岩为研究对象,开展页理面与加载方向不同夹角条件下纵波波速、单轴压缩及电镜扫描等试验,并以最大值与最小值的比值定义各参量的各向异性系数.结果表明:①纵波波速随入射方向与页理面夹角α增大而减小,其各向异性系数R_v为1.44;弹性模量随加载方向与页理面夹角β增大而减小,其各向异性系数R_E为1.14;单轴抗压强度σ_(ucs)呈现出两头大中间小的"U"型特征,最小值在β为37°时取得,其各向异性系数R_σ为3.01.②不同β条件下,单轴压缩应力-应变曲线有起始压密和弹性压缩阶段,都具有明显的应变软化特征.③单轴压缩下,炭质页岩在β=0°时主要为拉破坏,页理面抗拉强度和基质体弯折拉断强度协同控制其力学特性;在β=32°时主要为沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度控制其力学特性;在β=66°时主要为沿页理面和切断基质体的剪破坏,页理面和基质体的抗剪强度协同控制其力学特性;在β=90°时主要为拉破坏并含有少量沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度和基质体抗拉强度协同控制其力学特性.     

裂隙倾角对泥质白云岩强度影响试验研究

地下岩体中普遍存在的裂隙是影响岩体拉压性能的重要因素之一。依托贵阳轨道交通工程,采集泥质白云岩,开展劈裂试验和单轴压缩试验,分析了不同裂隙角度对泥质白云岩拉、压性能的影响。结果表明:(1)劈裂试验中,泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa,平均值为5. 03 MPa,抗拉强度随裂隙角度的增大呈下降趋势,劈裂模量为0. 1～2. 84 GPa,整体呈幂函数下降趋势;(2)泥质白云岩的抗压强度较高,分布在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87. 25 MPa;随裂隙角度的增大,试样抗压强度呈先减小后增大趋势;通过理论推导,得出岩体中最易破裂裂隙角度为22. 5°～45°,与试验结果相符;弹性模量随裂隙倾角整体呈上升趋势;(3)通过对泥质白云岩拉压强度对比,得出泥质白云岩抗压强度平均值与抗拉强度平均值之比为18. 97。     

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。