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。     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

层状盐岩储气库物理力学特性与极限运行压力

分析研究层状盐岩中盐岩与夹层的孔隙率与渗透率,指出在未遭受变形破坏条件下,盐岩及其夹层本质致密,不会对储气库安全造成影响.但是,对盐岩与夹层的单轴和三轴力学特性、长期蠕变性进行实验研究与理论分析认为,盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调,会造成2种岩性交界处的剪切破坏,影响储库安全性.在此基础上,提出层状盐岩储气库极限运行压力确定原则,包括顶板稳定、蠕变控制、腔体致密及裸井致密等,并结合实例进行分析研究.所得结果对我国层状盐岩中天然气储库的建造与运行具有一定指导意义及应用价值.     

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)=0.009t0.3265,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。     

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。     

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。     

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.     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

盐岩静动力学特性及储库动力稳定性研究

盐岩溶腔地下储存库被广泛认为是高度安全的战略储备库.随着国家地下能源战略储备库的大规模规划兴建,亟需对盐岩能源地下储存的科学问题和关键技术进行系统研究.系统阐述盐岩静、动力学特性与本构模型方面的国内外研究进展,并结合现有地下储库的动力稳定性案例,分析指出当前地下能源战略储备库作为重要经济目标防护和灾害风险研究中亟需解决...     

层状盐岩温度应力耦合作用蠕变特性研究

在温度应力耦合作用下,通过对层状盐岩蠕变特性试验研究及理论分析发现:(1)层状盐岩的蠕变率与其组分、结构密切相关,盐岩组分、结构不同,蠕变应变、蠕变率均不同.(2)在常温下,随着应力水平的增大,层状盐岩的蠕变应变、蠕变率逐渐增大,层状盐岩的稳态蠕变率与偏应力之间成良好的幂函数关系.(3)在温度和应力耦合作用下,加载应力水平相同时,温度对层状盐岩的稳态蠕变率影响很大,层状盐岩的稳态蠕变率与温度服从指数关系;在同温同压作用下,纯盐岩的横向位移、横向蠕变应变和横向蠕变率都比高盐分泥岩夹层的大,纯盐岩的横向蠕变率是高盐分泥岩夹层的1.6～1.8倍.(4)层状盐岩体各层之间由于组分、结构不同,在应力和温度耦合作用下,蠕变率不同,应变不协调,导致剪切破坏.最后,通过试验数据拟合,建立层状盐岩的稳态蠕变率本构方程,对我国盐岩矿床中建造油气储库及稳定性分析具有一定的参考价值.     

金坛盐矿工程地质特性研究

在盐矿地层中建造地下油气储库群,是国际上广泛采用的能源储备方式。为了论证在金坛深部盐岩地层中建造大型储气库的可行性,针对金坛盐岩的区域地质构造特性和层状盐岩赋存特性,开展了相关物探和地质特性研究工作。研究结论如下:(1)金坛盐盆的沉积构造边界受周围几条断层控制,但这些断层如今已不活动,属于压性断层,密闭性较好;(2)区域内盐岩层主要分布于始新统阜宁组四段,呈盐岩与非盐夹层韵律分布,水平构造、向四周渐趋尖灭,厚度达68~231m,盐质较佳,储库潜力十分巨大;(3)盐层上覆盖层和下伏底板均为封闭性能较好的泥岩、石膏岩等致密岩层构成,有利于拟建储气库的密封性。综上可知:金坛盐盆的区域封闭性和稳定性极为良好,可作为储气库建造的较好备选场址。     

盐岩拉伸破坏力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统,并利用PCI-Ⅱ声发射测试系统及SMZ1000体视显微镜和CCD实时摄像系统,采用间接拉伸与直接拉伸两种试验方法,对层状盐岩拉伸破坏力学特性进行了综合试验研究。研究获得了两种测试方式的破坏全过程曲线,揭示了间接拉伸、直接拉伸强度相互关系,及其与单轴抗压强度的相互关系。研究表明,直接拉伸试验测得的层状盐岩抗拉强度低于间接拉伸试验,直接拉伸试验得到的结果更加真实反映盐岩的抗拉强度特性,建议尽可能采用直接拉伸试验方法测试盐岩抗拉强度;研究得到了两种拉伸破坏方式的声发射空间分布特征,揭示了与之对应的受力状态和导致破坏的损伤演化规律;不同拉伸破坏方式的岩石断面形貌研究表明,间接拉伸以穿晶断裂为主,直接拉伸以沿晶断裂为主,这种断裂破坏方式的差异是导致不同拉伸测试方式强度差异的原因。     

Experimental investigation of mechanical properties of bedded salt rock

Because of salt cavern utilization for liquid, gas and solid waste storage, salt rock mechanical properties are needed for assessments of facility, stability and safety. Bedded salt deposits are widespread and used as much or more than diapiric salt bodies as storage facility hosts, but experimental data on the mechanical properties of bedded salt rock with impurities are far less common than data available on relatively pure diapiric salt rocks. Through laboratory uniaxial and triaxial compression experiments on rock salt (halite), interlayers (anhydrite) and bedded composite specimens (anhydrite–halite and mudstone–halite), differences in mechanical properties of the various lithologies are explored. In the composite specimens, the weakest or the most deformable component governs the behavior. Also, the properties of bedded composite lithology specimens tend to be in between the property ranges of the “pure” lithologies. The elastic modulus of the bedded salt rock increases from 5.3 to 24.1 GPa with an increase in the confining stress from 0 to 15 MPa, with some evidence of sample damage. The ductile transition for halite at the strain rates used is at about σ₃10 MPa.With increasing σ₃, the anhydrite–halite composite lithology deformation showed strain hardening and a strong trend to ductile behavior as the halite bands tended to dominate the behavior. Strain incompatibility effects exist along interfaces between creeping and non-creeping phases in anhydrite–halite composite lithologies. Mudstone–halite rocks tended to be extremely weak, compared with all other specimens.     

层状岩体的抗剪强度力学特性研究

基于摩尔—库仑准则研究了单结构面岩体的力学特性,对不同形态结构面的抗剪强度进行了分析,得出了不同形态结构面剪切强度公式,并指出结构面上产生的切向力大于结构面的摩擦力且克服了剪胀压力的影响是导致岩体结构面发生剪切方向的变形和破坏的原因。     

Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt

A rock mechanics test system and the acoustic emission (AE) test system were employed to perform experiments on bedded rock salt samples under uniaxial compression and indirect tension. Based on the basic theory of fractal geometry, a column covering method is proposed to analyze the fractal property of the spatial distribution of acoustic emissions during the rock damage and failure process. The experimental results indicate obvious differences in failure features for different parts of a sample due to the structural differences in bedded rock salt. The consistency between the failure state and the AE spatial distribution is confirmed. The relationships of the stress and energy release with the fractal dimension of the AE spatial distribution are established. An increase in the fractal dimension corresponds to a decrease in the stress and an increase in the energy release, which is consistent with the theoretical analysis. When the fractal dimension obtained from uniaxial compression and indirect tensile tests is less than 2.20 and 2.57, respectively, the stresses in the bedded rock salt sample are over 80% of the peak stress. A great amount of accumulated damage occurs, leading to the global failure of the bedded rock salt sample. Therefore, it is possible to forecast the failure state of bedded rock salt by inspecting the variation between the stress or the energy release and the fractal dimension of the AE spatial distribution.     

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%。     

顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

在有限元分析的基础上,采用多层结构模型对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响因素进行了分析.指出当边坡走向与岩层走向夹角超过30°后,边坡发生顺层滑动破坏的可能性很小,基本上可不视为顺层边坡,这与试验结果一致.同时也阐明了岩层倾角以及结构面抗剪强度对顺层岩质边坡稳定性的影响.文中结论可为顺层岩质边坡的科研、设计和施工提供参考.     

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。     

垫江盐盆岩盐矿地质特征及资源潜力

垫江盐盆位于四川盆地东部,早中三叠世嘉陵江、雷口坡时期广泛接受蒸发型盐类沉积,在长寿—垫江—带形成了多期次岩盐沉积。通过对区内岩盐、油气钻井含盐系对比分析发现,垫江盐盆具有3个成盐期:下三叠统嘉陵江组四段二亚段(T_1J~(4-2))、四段四亚段(T_1J~(4-4))和中三叠统雷口坡组一段一亚段(T_2l~(1-1)),岩盐直接顶底板为硬石膏岩或杂卤石,从T_1J~(4-2)至T_2l~(1-1),岩盐沉积具有层数变多、厚度变薄、向北东方向缩小的趋势。另外,通过DTM分析编制的岩盐沉积等厚线图,为垫江盐盆岩盐资源潜力估算提供了可靠的依据,据估算垫江盐盆岩盐远景资源量约300亿t,其中未受构造影响区块资源量约230亿t。     

Failure mechanism of bedded salt formations surrounding salt caverns for underground gas storage

Bulletin of Engineering Geology and the Environment - Understanding the failure mechanism of bedded salt formations surrounding salt caverns is of great importance for underground gas storage....