盐岩中能源（石油和天然气）地下储存力学问题研究现状及其发展

盐岩作为石油和天然气等战略与商业地下储存介质在欧洲、美国和加拿大等国家获得了广泛的应用。首先将盐岩中能源储存的相关力学问题的研究，划分成4个发展阶段：（1）20世纪60年初——简单应用阶段。此阶段利用采矿工程方面的力学知识和经验，对能源地下储存的力学方面进行了简单研究和应用；（2）20世纪60年代中期到70年初——模型研究与应用阶段。此阶段利用大型盐岩试样在实验室进行模拟石油或天然气储存，研究盐岩在储存方面的力学特性；（3）20世纪70年代末到90年代中期——数值模拟计算阶段。此阶段利用有限元技术，结合盐岩的试验结果，模拟能源储存过程，进行储存力学方面模拟计算与分析研究；（4）20世纪90年代中期直到现在——损伤模型设计阶段。结合盐岩的损伤与损伤恢复特性及其试验研究，提出了盐岩的几个损伤与损伤恢复本构模型。利用这些模型，使储存库的力学特性得到了更充分的发挥：同时对每个阶段的研究情况进行了分析，重点指出了每一个阶段的主要代表人物及其主要研究成果；其次，对盐岩的本构方程进行了系统总结与评价，指出了各类本构方程的建立依据与工程应用特点，重点介绍了Norton材料模型和Hou／Lux盐岩损伤与损伤恢复本构模型，并指出了这两种计算模型的优缺点；最后提出了今后盐岩研究的主要发展趋势。     

Boom Clay蠕变特性研究

Boom Clay为比利时第三纪细密黏土沉积物,其力学性质十分复杂,尤其是其显著的蠕变特性更需进行广泛的试验和深入的理论研究。通过室内固结和三轴蠕变试验,研究不同应力水平下的蠕变特性;建立以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型屈服面蠕变本构模型,避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加、卸载过程等复杂工况的实际计算中,具体蠕变时间确定的难题。将所建新型蠕变模型在ABAQUS软件中实现二次开发,并通过不同蠕变参数下的基本性能检验和蠕变试验的模拟,验证了所建模型的正确性和所编程序的可靠性。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

规则齿形结构面的蠕变特性试验研究

通过规则齿形结构面在双轴应力条件下的蠕变试验，对规则齿形结构面剪切蠕变特性进行了深入的研究，分析了规则齿形结构面蠕变的基本规律。在分析对比的基础上选取Burgers模型作为研究的重点来反映岩体的蠕变特性，通过数值分析计算出模型参数，模型曲线和试验数据得到了很好的拟合。     

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。     

基于位移反分析的围岩蠕变本构模型参数确定方法

针对隧道围岩蠕变参数难以确定的研究现状,在充分调研各类岩石蠕变本构方程的适用条件的基础上,选取适用于依托工程实际地质状况的蠕变本构方程.采用位移反分析的计算方法,根据现场调查所得隧道围岩监控量测数据进行参数反演,得到了典型断面所在围岩段的围岩蠕变本构方程,并进行了参数验证,结果显示计算模型所得围岩变形值与实测数据误差较...     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

参数非线性理论流变力学模型研究进展及存在的问题

 对现有的参数非线性理论流变力学模型及其建立的方法进行系统的总结,归纳出处理参数非线性理论流变模型的3种方式：(1) 给出非线性流变部分的本构方程,推导出整个流变模型的本构方程,并进一步推导出包括蠕变方程在内的流变模型的其他方程;(2) 给出非线性部分的本构方程,推导出该部分的蠕变方程,并与常参数部分的蠕变方程叠加得到整个流变模型的蠕变方程;(3) 给出非线性流变部分的蠕变方程,与常参数部分的蠕变方程叠加,得到整个流变模型的蠕变方程。这3种方式可以对今后的研究给予指导。指出一些参数非线性理论流变模型和建立方法所存在的问题甚至错误,以免在今后的研究工作中犯类似的错误。     

深层盐岩本构关系及其在石油钻井工程中的应用研究

在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上，对盐岩的蠕变特性进行了研究，分析了稳态蠕变规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难题，采用FLAC^3D软件，给出了优化的泥浆密度图谱，为合理进行钻井液密度设计奠定了基础。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

云应盐矿盐岩蠕变特性试验研究

针对我国盐矿盐岩杂质多、泥岩夹层多的特点,通过对云应盐矿盐岩、含夹层盐岩两种不同盐岩试样进行不同围压、不同轴压下的蠕变试验,研究云应盐矿两种岩样的蠕变特性,通过试验数据建立其蠕变本构关系,并获得相应的蠕变参数。通过对两种岩样的蠕变参数比较发现,含夹层盐岩的稳态蠕变率对偏应力变化的的敏感性要略高于纯盐岩,而其对围压变化的敏感性要远低于纯盐岩。研究结论可用于盐岩体工程长期稳定性分析中。     

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

 针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。     

岩石蠕变本构关系及改进的西原正夫模型

通过对岩石的全应力－应变曲线和蠕变曲线的分析，将粘滞性体模型中的粘滞系数修正为非线性，提出了一种组合模型：H－（H‖N）-（M‖S t.V)(M为修正的牛顿体模型），能较好地反映岩石的非衰减蠕变特性。     

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...     

高放废物处置库中COx黏土岩回填材料压缩特性研究

 高放废物处置库中回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的设计和安全性有重要影响。目前,粉碎后的Callovo-Oxfodian(COx)黏土岩(法国)被考虑为可选的回填材料之一。通过开展一维压缩试验,研究2种不同粉碎工艺下获得的粗/细COx土样的压缩特性,结果表明：压缩曲线受粒度成分的影响非常明显,为获得同等压实度,细粒土所需的压实功能较粗粒土高,除此之外,细粒土的压缩指数也高于粗粒土,表现出较强的压缩性;随着土样压实密度的增加,粗/细土样的压缩曲线逐渐靠拢,粒度成分对压实功能影响逐渐减弱;土样卸荷时回弹指数随干密度的增加而增加,受粒度成分的影响不明显;高压实(rd = 2.0 g/cm3)粗粒土样在7 MPa的轴向应力下饱和时,体积发生明显的塌陷现象,饱和后土样的压缩指数小于饱和前,而回弹指数则较饱和前高。     

盐岩地下储库气体泄漏量的计算方法

为分析评估盐岩储气库泄漏事故灾害,借鉴现有输气管道气体泄漏率计算模型和压力容器泄压模型,提出一种适合于盐岩储库气体泄漏量的计算方法,与典型试验对比验证所提出计算方法的有效性;并以金坛盐岩地下储库为例,分析得到泄漏孔径、运营压力、井管长度对气体泄漏率的如下影响规律：气体泄漏率随着注采井套管破裂孔径的增大而逐渐增大,随着盐岩储气库运营压力的增大而线性增加,并随着井管管长的增大而逐渐减小。另外,应用所提出的模型对盐岩储库的气体泄漏速率和泄漏质量随时间的变化进行评估。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

煤岩储气层岩石蠕变特性与本构模型研究

与一般煤岩相比,裂隙发育是煤岩储气层的主要物理特征,其结构较为软弱,在复杂地应力条件下易产生蠕变破坏,往往造成煤层气开采中钻井的破坏失稳。为探讨储气层煤岩钻井壁的蠕变失稳规律,采用美国RT R-1000型三轴岩石力学测试系统对储气层煤岩进行系统的单轴压缩试验。利用饱依丁-汤姆逊体与宾汉姆体,建立储气层煤岩蠕变模型,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。根据储气层煤岩在不同载荷条件下的单轴压缩试验结果对蠕变模型进行验证。结果表明,所提出的储气层煤岩蠕变模型能很好地描述各蠕变阶段的变形特性,尤其是衰减阶段与稳定蠕变阶段,并能很好地反映蠕变的长期强度。同时,将煤岩蠕变特性与钻井方式相结合,提出煤层钻井液的优选思路,对保持煤岩钻井壁稳定、有效保护储集层以及高效安全建井等具有重要的实际意义。     

核废料贮存库围岩体热响应耦合场研究

岩体在加热状态的物理力学响应是核废料贮存库安全运行评价的主要指标。结合现场试验成果(温度、孔隙压力和变形),应用多孔连续介质力学理论对热诱导引起的岩体温度场、渗流场和应力场进行了有限元数值对比研究。提出了有限元计算过程中通过调整孔隙率和渗透系数来实现热–水–力耦合分析非线性孔隙弹性的研究方法。现场测试和数值模拟表明:在整个加热过程中,饱和岩体温度和有效应力随时间不断增加,而孔隙压力在加热能量变化初期呈上升趋势,在后期呈下降趋势。     

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

 采用中国矿业大学的“20 MN高温高压岩体三轴试验机”进行高温三维应力下大尺寸f 200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600 ℃,轴向应力最高达175 MPa。研究发现：(1) 三维应力条件下鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变变形均可划分为：瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2) 高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3) 以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4) 通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。