深地储能研究进展EI北大核心CSCD

深地储能是指将石油、天然气、氢气、压缩空气及CO_(2)等能源或能源物质和氦气等战略稀缺物资储存于深部地层中。盐岩地层是深地储能的优良地质体,是我国实施大规模储能的重要载体之一,目前已经建成金坛盐穴储气库、金坛盐穴压缩空气电站、江汉盐穴储气库等大型深地储能库。我国盐岩具有盐层薄、杂质含量高和夹层多等不利建库地质特征,给利用我国层状盐岩实施大规模能源储备带来系列理论和技术挑战。针对利用层状盐岩地层大规模储能存在的关键理论和技术难题,中国科学院武汉岩土力学研究所经过20余年的持续攻关,在实验装置研发、层状盐岩力学特性研究、储能库建造技术、注气排卤关键技术和运行压力优化方法等方面取得了突破,并在国内多座已建和在建的盐穴储能库中得到推广应用。利用深部盐穴实施天然气、压缩空气、石油和氢气等大规模储备是我国深地储能工程重点发展方向。深地储能涉及多场多相耦合及多尺度等复杂情况,亟需开展储能介质多尺度运移、储能地质体性能演化、深地储能智能建造、深地储能智慧运行等方面的研究,破解制约我国深地储能技术瓶颈中的关键科学问题。深地储能是岩土工程、工程地质和能源储备等学科深度交叉融合的突破口,有望形成新的专业学科。     

Experimental investigation of Daqing Oilfield mudstone's creep characteristic under different water contents

In order to analyze mechanism of casing damage,the uniaxial compression experiment and creep experiment of interbedded mudstone samples from Sanan development area of Daqing Oilfield under different water contents were carried out.The changes of the mudstone’s mechanical parameters and creep characteristics with the increment of water saturation were studied.The results indicate that the rock strength and elastic modulus decrease rapidly with the increment of water content,at the same time,the creep strain and creep strain rate of steady state increase with the increment of water content,and also the steady state creep strain rate is enhanced with the increment of deviatoric stress.Through the creep characteristic curves,a non-linear creep constitutive equation of mudstone considering the change of water contents is established,which will be used in future numerical analysis.     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

盐岩地下储库洞室收缩形变分析

盐岩类地下储库在运行过程中盐岩洞室内部压力从高到低、从低到高的循环变化, 因此洞室周围的盐层会受到周围地层的压力和洞室内部压力的多重作用而产生应力变化,由于盐层在高压作用会产生塑性形变,而且,洞室内部的压力始终小于周围地层的压力,因此洞室周围盐层会产生指向洞室内部的位移而导致洞室收缩形变.洞室的收缩形变会导致洞室体积缩小,从而导致储库洞室库容的变化,降低洞室的运行效率.洞室的收缩形变与盐层蠕变规律有密切的联系,通过岩石力学测定,可以分析盐层蠕变特征进而建立盐岩蠕变的本构方程,利用本构方程,通过建立洞室三维模型,可以模拟不同运行状态下的洞室不同部位在不同运行阶段内盐层蠕变的大小,从而预测整个洞室的收缩形变规律.对盐岩洞室储库的运行模拟发现,洞室建成初期有一个短暂的快速收缩形变阶段,后期收缩形变速度较为平稳并有逐步减缓的趋势.因此在盐岩洞室储库运行的初期,必需密切注意洞室蠕变,制定合理的运行参数,确保洞室的安全高效运行.     

考虑施工缝影响的框架结构抗震性能试验研究

对一组留置施工缝,一组未留置施工缝的两组单榀两层两跨框架结构进行了低周反复荷载作用下的试验研究,对两组框架的滞回性能、延性、刚度退化等性能作了深入的分析。研究了框架结构中因为施工缝的存在而对结构整体抗震性能的影响。试验研究结果表明:施工缝的存在对结构抗震性能的影响还是比较明显的。     

盐岩蠕变特性的试验研究

盐岩蠕变特性会因矿物组成成分、加载应力水平的不同而异。通过对钙芒硝盐岩及氯化钠盐岩在不同载荷作用下多于100 d的蠕变试验研究发现:(1)在相同载荷7.0 MPa作用下,不同矿物成分盐岩的蠕变特性不同,钙芒硝盐岩的蠕变速率仅为氯化钠盐岩的3.67%,分别为8.72×10-6和2.38×10-4 d-1,二者有2个数量级之差;(2)在不同载荷作用下,盐岩的蠕变特性不同。在7.0 MPa载荷作用下,盐岩试件的蠕变速率为2.38×10-4/d;而在4.0 MPa载荷作用下,试件的蠕变速率为3.77×10-5 d-1,仅为前者的15.87%,表现出盐岩蠕变明显的应力效应特征;(3)在7.0和12.0 MPa两种不同载荷作用下,钙芒硝盐岩的蠕变率分别为8.72×10-6 d-1和1.12×10-5 d-1,后者为前者的1.28倍,与变形量比例相一致。最后,通过分析建立盐岩瞬态蠕变和稳态蠕变的耦合本构方程,该方程拟合曲线与试验结果曲线吻合较好。所获试验结果及本构方程可对层状盐岩矿床内建造油气储库的稳定性分析提供一定的参考依据。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

浅埋岩溶隧道灾变机制及其防治

 针对重庆云雾山隧道浅埋岩溶段施工中发生的岩溶地质灾害事故,对浅埋岩溶隧道地质灾害的关键致灾因子及相互关联进行理论分析,并结合现场岩溶处治实践,对其实施效果进行评价。研究结果表明,浅埋岩溶隧道五大致灾因子为埋深浅、上覆地层松软、岩溶发育程度和规模、补给水源以及工程因素,其中施工揭穿顶部和两侧的溶洞连通地表水涌入塌陷区是主要诱因,含溶洞断面的位移释放主要发生在开挖前和开挖瞬间。同时,浅埋岩溶隧道地表水对隧道稳定性影响比地下水更为明显,故解决岩溶灾害的根本途径在于采用合理的设计施工方法,实现施工扰动条件下岩溶动力系统平衡状态的平稳过渡。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。