溶浸–应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

为了研究钙芒硝岩在原位溶浸开采过程中的蠕变力学特性,采用自主研发的多功能岩石力学试验机,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa条件下,不同渗透压(3,2,1 MPa)作用下的三轴蠕变力学试验。模拟溶浸开采生产过程,将钙芒硝蠕变过程分为溶浸连通蠕变阶段、饱水蠕变阶段、排水蠕变阶段和轴压20 MPa蠕变阶段4个阶段,对比分析了上述4个阶段的钙芒硝盐岩的蠕变特性差异。研究结果表明:在溶浸连通蠕变阶段,渗透压力越大,溶解连通时间越短;反之,则时间越长。在溶浸连通蠕变阶段和饱水蠕变阶段,不断演化的矿物溶解与相对恒定的有效应力对钙芒硝盐岩的蠕变变形起主要影响;在排水蠕变阶段和轴压20 MPa高压变形阶段,溶浸作用历史过程及其对钙芒硝盐岩固体骨架力学性能的弱化程度决定了钙芒硝盐岩的变形特性。曲线拟合结果表明,广义Kelvin模型能够较好地描述溶浸渗透加载作用下钙芒硝盐岩的三维压缩蠕变力学特性。该研究结果不仅揭示了钙芒硝盐岩在特殊的溶浸–应力耦合作用条件下的蠕变特性,同时,也可为钙芒硝盐矿溶浸过程中矿体稳定性分析提供一定参考依据。     

钙芒硝溶解渗透试验研究

对钙芒硝矿床开采的主要目的是提取其所含的硫酸钠成分,不管采用哪种开采方法,从钙芒硝中提取硫酸钠都会涉及钙芒硝的溶解与渗透。利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和MDS-200型三轴渗透试验系统,对在孔隙压出水口敞口状态下的钙芒硝进行了溶解渗透试验的进一步研究。研究表明:在溶解渗透试验过程中,钙芒硝固体骨架由致密不渗透的结构变成了可渗透的多孔介质,其固体骨架一直保持完整;随着溶解渗透时间的不断持续,由于结构的致密程度和矿物成分不断的发生变化,致使其力学性质和有效应力也在不断的发生变化;在轴压、围压不变的情况下,试件溶解贯通所需的时间随着注水压的增大减小,渗透系数随着注水压的增大而增大,随着时间的持续而增大。     

钙芒硝盐岩物理力学特性研究

通过系统的试验研究难溶性盐钙芒硝基本的力学特性以及溶解和其溶解后的孔隙率等,充分认识了钙芒硝岩盐的物理力学特性.实验发现钙芒硝岩盐属于软岩,其抗压强度为18.86 MPa,而抗拉强度实测值为2.59 MPa,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料.通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.012ln(t)-0.0056,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率.钙芒硝属于难溶性盐,其溶解率非常低,在水中溶解速率曲线方程为vt=-0.0005Ln(t) 0.0041;溶解速度方程为v=-0.0002Ln(t) 0.0015.通过理论分析计算得出其溶解完全后孔隙率为35.87%.溶解速率、溶解速度及溶解后孔隙率的研究对充分认识难溶性钙芒硝盐岩水溶开采机理有指导意义.     

钙芒硝盐岩力学特性的研究

通过基本的力学实验，得出钙芒硝盐岩这一特殊岩石类型的抗压强度为18．86MPa，抗拉强度为2．59MPa，实验发现钙芒硝盐岩是一种软岩，其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏，同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料。通过长时间的蠕变实验，回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线，其抗压强度50％时的曲线方程为ε（t）=0．009t^0.3265，抗压强度80％时的蠕变曲线方程为ε（t）=0．0098ln（t）-0．0014，应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率。     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。     

杂质盐岩渗透特性试验研究

利用四川大学THMC岩石三轴试验系统,针对中国天然气储库杂质盐岩开展全过程渗透试验研究,并通过试验结果拟合出同时考虑围压、扩容体积应变以及杂质含量的多因素耦合杂质盐岩渗透模型。研究表明:杂质含量、杂质分布及成分对盐岩渗透性均有显著影响,不同杂质含量盐岩损伤恢复后渗透率均有所降低,其塑性变形可分为2个阶段,I阶段渗透率增长迅速,II阶段渗透率增速减缓甚至渗透率下降,盐岩破坏后渗透率明显增大,残余阶段能维持在相对稳定的水平;低渗夹层制约盐岩垂向渗透性,而泥质成分盐岩较钙芒硝质盐岩渗透率更低。由拟合的多因素耦合渗透模型可得到:围压越高渗透率越低,扩容体积应变越大渗透率越高。当杂质含量大于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而增大,当杂质含量小于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而减小。     

层状盐岩及泥岩夹层动态力学特性对比试验研究

为对比研究盐岩和泥岩夹层的动态力学特性,以应城盐矿的盐岩及泥岩夹层为研究对象,利用带围压的分离式Hopkinson(SHPB)试验装置,进行不同围压(5,15,25 MPa)下的动载冲击试验研究,分析盐岩和泥岩夹层动力特性的围压效应与应变率效应,基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖的简化模型拟合出盐岩及泥岩夹层的动力强度公式。研究结果表明:(1)盐岩和泥岩夹层均属于率敏感性材料,其峰值应力和延性随应变率的增大而增加,但低围压(如5 MPa)作用下应变率强化效应较高围压(如25 MPa)作用下更加显著;(2)盐岩和泥岩夹层在动力荷载条件下的力学行为的围压效应没有静力荷载条件下明显,动力放大系数(DIF)随着围压增加而减小,泥岩夹层的围压效应要小于盐岩的围压效应;(3)动力强度计算公式拟合效果较好,盐岩平均相对误差为2.51%,泥岩夹层平均相对误差为6.58%。     

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。     

溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究

 岩石材料的宏观力学特性与其内部细观结构演化有十分密切的关系,对典型难溶盐岩钙芒硝在盐溶液溶浸环境下力学特性弱化和细观结构演化进行研究,初步揭示其力学特性弱化的细观机制。研究发现：在盐溶液溶浸作用下,由于矿体胶结物中亲水性矿物吸水膨胀崩解、钙芒硝中硫酸盐的溶解、化学反应离子交换、氯离子侵蚀损伤等因素的作用,钙芒硝孔隙率随“溶液浓度”和时间的变化而非线性演化,从而导致力学特性严重弱化。在盐溶液中溶浸20 d,钙芒硝强度弱化系数低至0.1～0.2。由于钙芒硝矿体内泥质胶结成分的水理水化作用,泥质部分膨胀或崩解,钙芒硝矿体变形表现出应变软化与韧性破坏特征。细观结构演化结果表明,盐溶液溶浸作用下,难溶钙芒硝孔、裂隙演化缓慢,但在淡水溶液中孔隙演化速度是半饱和与饱和溶液中的数倍甚至数百倍。淡水中溶浸48 h后孔隙率高达16.62%,是原始状态孔隙率的9倍;半饱和盐溶液溶浸48 h后,孔隙率是原始状态的3倍,而饱和溶液溶浸48 h后,孔隙率增幅仅为2.8%。孔隙率变化主要是由于钙芒硝矿体中硫酸盐的溶解和结晶,胶结物成分(主要为伊利石、蒙脱石)的水理、膨胀,这也是钙芒硝力学特性弱化的根本原因。本研究对深入认识可溶岩(包括钙芒硝)物理力学特性弱化,并指导盐类矿床原位溶浸开采及层状盐岩溶腔油气储库建造等相关工程实践,具有重要理论意义与应用价值。     

盐岩的渗透特性研究

针对盐岩的低渗透特性,提出了在渗透率低于10-22m2和高于10-22m2两种情况所采用的计算理论,即可以利用岩石扩散与对流-扩散理论和达西理论来研究其渗透特性,并给出了试验室测试盐岩渗透率的计算公式。通过盐岩的渗透试验:①研究了损伤对盐岩渗透率的影响,并指出当盐岩所处的应力状态没有超出盐岩的损伤临界值时,盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率,当盐岩发生损伤后,其渗透率明显增加;②同时也研究了围压对盐岩渗透率的影响。结果表明,在其它条件相同的情况下,作用在盐岩上的围压越高,盐岩的渗透率越低,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

Experiments on mechanical properties of salt rocks under cyclic loading

The primary purpose of underground gas storages is to provide gas for seasonal consumptions or strategic reserve.The periodical operations of gas injection and extraction lead to cyclic loading on the walls and surrounding rocks of gas storages.To investigate the mechanical behaviors of different host rocks in bedded salt deposit,laboratory experiments were conducted on the samples of rock salt,thenardite,glauberite and gypsum.The mechanical properties of rock samples under monotonic and cyclic loadings were studied.Testing results show that,under monotonic loading,the uniaxial compressive stress(UCS) of glauberite is the largest(17.3 MPa),while that of rock salt is the smallest(14.0 MPa).The UCSs of thenardite and gypsum are 16.3 and 14.6 MPa,respectively.The maximum strain at the peak strength of rock salt(halite) is much greater than those of the other three rocks.The elastic moduli of halite,thenardite,glauberite and gypsum are 3.0,4.2,5.1 and 6.8 GPa,respectively.Under cyclic loading,the peak strengths of the rock specimens are deteriorated except for rock salt.The peak strengths of thenardite,glauberite and gypsum decrease by 33.7%,19.1% and 35.5%,respectively;and the strains of the three rocks at the peak strengths are almost the same.However,the strain of rock salt at the peak strength increases by 1.98%,twice more than that under monotonic loading.Under monotonic loading,deformation of the tested rock salt,thenardite and glauberite shows in an elastoplastic style.However,it changes to a ductile style under cyclic loading.Brittle deformation and failure are only observed for gypsum.The results should be helpful for engineering design and operation of gas storage in bedded salt deposit.     

岩盐力学特性的试验研究

针对岩盐这一特殊性质的岩石，进行了基本的力学特性试验，包括单轴压缩、间接拉伸及变角剪切。通过试验，发现无水芒硝岩盐是一种软岩，强度较低，变形较大。在单轴压缩变形破坏过程中，具有与普通岩石试件不同的四阶段性特征。另外，由变角剪切试验结果分别获得了无水芒硝和钙质芒硝岩盐的强度曲线方程。     

围压影响的盐岩压缩力学特性及非线性本构模型

为了更准确地描述盐岩的力学特性,对盐岩开展多组单轴、三轴压缩试验。根据试验结果,多组试验数据得到的莫尔包络线具有非线性特征,并且盐岩力学特征对围压有很强的相关性。单轴及低于5 MPa围压时盐岩应力应变关系曲线表现弹性、应变硬化、软化3个过程,而当高于5MPa围压时盐岩延性特征显著,应力应变曲线硬化阶段比例加大,扩容点前移,而软化过程有一定程度的减弱。基于Hoek-Brown准则的软化模型将应力应变曲线峰前阶段改进为弹性非线性弹性模型,得到一种新的非线性本构模型。结果表明这种非线性本构模型可以很好地吻合不同围压作用的盐岩应力应变曲线。     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

可用于造腔试验的型盐相似材料研究

用相似理论推导盐岩力学特性相似模型,得到力学参数的相似判据。以重庆北碚盐矿作为相似材料主料,考虑压制力、盐粉含水率、盐粉粒径、盐粉不溶物含量4个影响因素,开展型盐材料配比试验。结果发现：北碚天然盐粉16目粒径,在105～110 ℃烘箱中烘干24 h,100 MPa的压制力,并保压30 min,制备出来的型盐其单轴力学性质与金坛盐岩相似,且满足相似模型的要求。用最佳配比制备型盐,研究其在常温时上溶、侧溶的溶解特性,及60 ℃,70 ℃,80 ℃时侧溶的溶解特性。结果表明：型盐在上溶、侧溶时,其溶解速率都比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.75,0.81倍;在溶液温度60 ℃,70 ℃,80 ℃的情况下,其溶解速率同样比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.88,0.74,0.78倍。该相似材料配比可用于制备大尺寸型盐来模拟盐岩造腔全过程,对造腔模拟研究具有重要作用。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

 为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明：在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

两种不同沉积类型界面盐岩力学特性试验研究

 金坛含盐系为一套浅湖相–泻湖相–蒸发岩相成盐构造,由机械沉积与化学沉积作用共同形成;潜江含盐系湖盆环境为常年性较深水分层盐湖,主要在深水、缺氧、静水环境下以机械沉积形成,因此2种沉积类型界面并不相同。针对2种不同沉积类型界面盐岩,分别进行单轴、三轴压缩及剪切试验研究,深入分析试验过程中盐岩力学特征变化情况及其力学含义,同时对试样破坏特性进行对比分析。研究发现：2种界面盐岩试样都表现出较好的延性特征,未发生崩溃式破坏;裂纹集中分布于界面处,纯盐岩段均少见裂纹生成,与金坛盐岩试样相比,潜江盐岩界面对试样变形的限制作用更突出;2种界面盐岩试样剪切峰值应力与纯盐岩相当,说明界面剪切破坏由盐岩的力学特性决定。研究成果对进一步深入研究我国不同地域层状盐岩地下储气库选址与建设具有一定参考意义。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。