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含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net　第3卷　第1期 地下空间与工程学报Vol.3 2007年2月 ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringFeb.2007　

文章编号:167320836(2007)0120023204

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究3

郤保平,赵阳升,赵延林,徐素国(太原理工大学采矿工艺研究所,太原　030024)

摘　要:含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在。通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层。根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据。关键词:油气储库;高盐份泥岩夹层;蠕变;理论模型;本构方程

中图分类号:TU45文献标识码:A

StudyonCreepPropertyofRockSaltwithMudstoneInterlayerXIBao-ping,ZHAOYang2sheng,ZHAOYan2lin,XUSu2guo(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,P.R.China)Abstract:Thecreeppropertyofrocksaltwithmudstoneinterlayeriskeytothestabilityanalysisofoilandgasstoragecavernsinrocksalt.AccordingtotheuniaxialcompressivecreepexperimentsofHubeiYingchengrocksaltwithmudstoneinterlayerfor160days,itcanbeseenthattherockhasafavorablecreepproperty.Thecreepofrocksaltisbiggerthanthatofmudstoneinterlayer,anditstransversecreepisalsobiggerthanthatofmudstoneinterlayer.Basedontheexperimentalresult,theelasticandvisco-elasto-plasticmodelandtheconstitutiveequationofrocksaltwithmudstoneinterlayerhavebeensetupbyanalyzingthefeaturesofthecurve,whichprovidethefoundationtothestabilityanalysisoftheoilandgasstoragecavernsinrocksaltinChina.Keywords:oilandgasstoragecavern;rocksaltwithmudstoneinterlayer;creep;theoreticalmodel;constitutiveequation

1　引言盐岩矿床油气储库作为油气储库的主要类型之一,因其具有安全性高,容量大,注采速度快,运行成本低的优点而在发达国家被普遍采用,被称为"高度战略安全的储备库"。盐岩以其良好的蠕变特性,低渗透性及损伤自我修复的特性,而被公认可作为能源储存,高放射核废料永久性处置的理想介质。近几十年来,对其力学特性,尤其是它的蠕变特性做了大量的实验研究和理论分析。Hun2sche,munson等人分析研究了盐岩在低应力下的蠕变行为,并建立了反映各自实验数据的稳态蠕变率的数学模型[1];Carter等对盐岩蠕变本构模型作

了较为详细的研究[2]。然而我国盐岩矿床的典型特点是:单层厚度薄、软弱夹层多[3]。湖北应城盐矿即是典型范例。矿体一般呈层状、似层状或透镜状,产状平缓,软弱夹层较多。这些夹层主要由泥质硬石膏、泥质钙芒硝、粉砂岩、泥岩等构成。实验

3收稿日期:2006209220(修改稿)作者简介:郤保平(1976-)男,山西太原人,博士研究生,主要从事盐岩力学及油气储库稳定性分析研究。E2mail:

masterxbp@yahoo.com.cn。基金项目:国家自然科学基金资助项目(50304011),山西省自然科学基金资助项目(20041020)。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

研究证实,含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变特性敏感,随着温度,应力的增高蠕变更加明显,在长期效应下盐岩矿床油气储库溶腔缩小,纯盐岩与泥岩夹层之间由于蠕变率不同而导致剪切破坏。因此,含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变特性研究就成为地下储库稳定性分析的关键问题所在。目前,国内外对含高盐份泥岩夹层的盐岩的实验研究很少,为此对其进行了常温下的单轴压缩蠕变实验,获得了蠕变曲线,拟合了实验数据,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程。2　含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性实验研究2.1　实验设备采用太原理工大学设计的气体稳压的单轴蠕变实验台,应变测量采用千分表。2.2　试件制备含高盐份泥岩夹层的盐岩试样全部采自湖北应城地下600-700m,采集方法采用地质钻机,套取岩芯,经分析,样品的主要成分为高盐份泥质硬膏盐岩。由于含高盐份泥岩夹层的盐岩含有弱面层,无法取得标准试件,依据岩石力学实验标准,采用高径比为2:1的Φ180×90(mm×mm)圆柱试件。为了避免试件在加工过程中水对盐岩结构的破坏,采用干式锯磨法进行全部试件的加工。含高盐份泥岩夹层的盐岩试样的基本情况见表1。2.3　实验方法所有实验均按照ISRM实验标准来进行,试件在加工完毕后将底面打磨平整,压力加至单轴抗压强度的10-70%[4～5]不等,为了保证实验数据的可靠性,实验周期为160天,蠕变初期每12小时记录一次,进入稳定阶段每24小时记录一次。为了确保测量数据的准确性,实验用5组试件进行。2.4　实验结果及其分析本文在常温下对5组圆柱形试件进行了蠕变实验,由于3#、4#试件实验结果不太理想,仅对1#、2#、5#试件实验结果进行分析,含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变实验的ε(t)-t曲线如图1,图2,图3所示。含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,蠕变是一种长期行为,在一定荷载作用下,其蠕变应变能达到3%-4%,常温下的蠕变曲线分成三个阶段:初始蠕变阶段Ⅰ,在到达蠕变的下阶段之前,该阶段的蠕变应变率是不断减小的,持续时间较短,

属弹性变形;稳定蠕变阶段Ⅱ,该阶段蠕变应变率基本保持恒定值,持续时间较长,占整个实验时间的一半以上;加速蠕变阶段Ⅲ,蠕变应变率不断增大,直到试样破坏。进入第三阶段,含高盐份泥岩夹层的盐岩强度迅速降低,变形较大,常伴有声发射,由于其中发生了蠕变破坏,试件蠕变应变率突然增大。其蠕变应变率与时间的关系如图4所示。

图1　含高盐份泥岩夹层的盐岩1#试件蠕变曲线Fig.1　Thecreepcurvesof1#rocksaltwithsalt2mudstoneinterlayer

图2　含高盐份泥岩夹层的盐岩2#试件蠕变曲线Fig.2　Thecreepcurvesof2#rocksaltwithsalt2mudstoneinterlayer

图3　含高盐份泥岩夹层的盐岩5#试件蠕变曲线Fig.3　Thecreepcurvesof5#rocksaltwithsalt2mudstoneinterlayer

图4　含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变率与时间的关系曲线Fig.4　Thevariationofcreepstrainratewithtime由图可知,湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩是一种软岩,具有良好的蠕变特性。含高盐份泥岩

42地下空间与工程学报 第3卷© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net夹层的盐岩的蠕变来自两部分,一部分为盐岩蠕变,另一部分来自高盐份泥岩夹层的蠕变,且纯盐岩蠕变应变高于夹层,同时横向应变大于夹层。在较低应力水平下,含高盐份泥岩夹层的盐岩内部各表1　含高盐份泥岩夹层的盐岩试样基本情况[3]Table1　Thebasicdataofrocksaltsamplewithsalt2mudstoneinterlayer[3]

盐样名称抗压强度σc/MPa抗剪强度τ/MPa抗拉强度σt/MPaNaCI含量%颜色胶结充填性质NaCI纯盐岩23.08.22.5998白色透明晶体直接结合高盐份泥岩夹层35.26.51.5850-75灰白色泥质、盐岩分层泥 岩48.710.882.92灰黑色泥质自然生长

层并不表现出明显的膨胀现象,当轴压逐渐升高,含高盐份泥岩夹层的盐岩内部各层表现出明显的膨胀现象。对于含高盐份泥岩夹层的盐岩,其蠕变主要表现在I、II阶段,由于初始蠕变阶段相对于稳态蠕变阶段来说持续时间极短,在油气储库稳定性分析中可以不考虑,而稳态蠕变阶段对油气储库的稳定性研究具有重要意义,是油气储库稳定性分析的关键问题所在。因此稳态蠕变阶段的本构关系研究对油气储库的稳定性研究来说也就显得十分的重要,影响蠕变的因素主要是温度、应力水平及蠕变时间,蠕变机理主要由温度和应力控制,在不同的温度和应力作用下其蠕变机理是不同的,但晶体内部位错及晶间弱面的控制是造成含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变的主要原因。3　含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变理论模型 采用理论模型是为了把复杂的岩石蠕变用较直观的方法表示出来,为数值分析提供方便。蠕变模型有很多种,对具体的岩石而言,在确定蠕变理论模型之前,需要对实验曲线作简要分析。通过对含高盐份泥岩夹层的盐岩的160天的蠕变实验ε(t)-t曲线进行分析,认为含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变曲线有以下4个特性:①当施加σ0应力后,立刻产生瞬时的弹性应变εe=σ0EH,所以流变模型中应包括弹性元件;②实验中的蠕变曲线都反映出应变随时间增大而增大的趋势,因此流变模型中应包括粘性元件;③在低应力水平作用下的蠕变曲线,呈时间的增长,应变将趋于某一定值,与广义Kelvin模型的应变时间曲线类似;④当应力水平大于某一定值σs后,应变随时间增大,似有不收敛于某一定值的趋势,流变模型应包括塑性元件。根据以上特性,蠕变模型与广义Kelvin模型相似,当应力σ大于某一定值σs(σ>σs)时,蠕变模型与Bergers模型相似。所以本构模型元件由虎克体(H)、粘弹性体(Ni‖Hi)、粘塑性体(N‖ST󰂳V)串联而成,含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变本构模型如图5所示:

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金坛储气库岩盐蠕变特性及其实用本构研究

金坛储气库岩盐蠕变特性及其实用本构研究

第26卷第3期 辽宁工程技术大学学报 2007年6月 V ol.26 No.3 Journal of Liaoning Technical University Jun. 2007收稿日期：2005-04-18基金项目：国家自然科学基金重点基金资助项目（E50434050）；国家自然科学基金项目（50304011）；山西省自然科学基金资助项目（20041020） 作者简介：梁卫国（1972－），男，山西 盂县人，博士后研究人员，副教授，主要从事岩石力学与采矿工程研究，E-mail ：master_lwg@ 。

本文编校：赵 娜文章编号：1008-0562(2007)03-0354-03金坛储气库岩盐蠕变特性及其实用本构研究梁卫国1,2， 徐素国2 ，刘 江1，杨春和1，赵阳升2（1.中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2.太原理工大学 采矿研究所，山西 太原 030024）摘 要：通过对金坛盐矿储气库岩盐大量的实验发现：在不同应力水平作用下，岩盐的瞬态蠕变变形介于0.1%到2%之间，一般高应力水平作用下的变形量较低应力水平作用下的变形大；试件的稳态蠕变率从0.0023%/h 到0.15%/h 变化不等，随应力水平的提高，岩盐蠕变率变化十分明显。

表明：应力水平越高，瞬态蠕变变形和稳态蠕变率均越大；反之亦然。

在分析应力水平与蠕变变形关系实验及理论分析的基础上，结合金坛储气库实际，建立了基于应力水平的岩盐瞬态及稳态蠕变综合本构方程。

该本构方程理论计算与实验结果吻合较好，可为金坛储气库运营的稳定性分析提供一定的参考依据。

关键词：金坛储气库；岩盐；蠕变； 本构方程；应力水平；岩石力学 中图分类号：O 344.6; TD 313 文献标识码：AResearch on creep property and practical constitutiveequation of rock salt in Jintan gas storage of ChinaLIANG Wei-guo 1,2，XU Su-guo 2，LIU Jiang 1，YANG Chun-he 1，ZHAO Yang-sheng 2(1.Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;2. Mining Technology Institute, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract ：Through a lot of experimental creep investigations on rock salt in Jintan, it is found that the transient creep deformation and steady creep ratio of samples vary greatly with the different suffered stresses, of which the transient creep deformation changes from 0.1% to 2%, while the steady creep ratio can vary from 0.0023%/h to 0.15%/h. Obviously, the higher the loaded stress is, the higher are the transient creep deformation value and steady creep ratio and vice versa. On the basis of experimental and theoretical analysis of the relation between creep deformation and the loaded stress level of samples, an integrated constitutive equation of transient creep and steady creep based on stress level of salt rock is established in this paper, with consideration of the geological and future running reality of Jintan Gas Storage. It demonstrates that the theoretical creep curve and the tested data are well inosculated, and can provide some references for the future running stability analysis of Jintan Gas Storage. Key words ：Jintan gas storage ；rock salt ；creep ；constitutive equation ；stress level ；rock mechanics0 引 言料的典型蠕变曲线（如图1），三个阶段：即瞬态蠕变（初始蠕变）、态蠕变阶段。

不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

第 ３５卷 第 ８期 ２０１８年 ８月
长 江 科 学 院 院 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｄｏｉ：１０．１１９８８／ｃｋｙｙｂ．２０１７００１３
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２ ０ １ ８
２０１８，３５（８）：８４－８９
１ 研究背景
随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求 不断扩大，并逐渐向深部地下工程转变，由此带来的 与温度相关的地下岩土工程问题正受到众多专家学 者的关注。流变现象是岩土工程围压失稳破坏的重 要因素之一，特别是岩石的蠕变特性，历来受到研究 工作者的高度重视［１］。在地热资源开发与利用、石 油开采、煤矿工程、高放废物处置这些长期深部地下 工程中，因为涉及到工程长期的稳定安全，岩石蠕变 行为的研究就显得更加重要，其所受应力环境往往 比较复杂，常常存在应力、温度、渗流 ３场之间的耦 合作用。
速率的变化特征。
图 １ 同等围压、不同温度－应力场下蠕变应变曲线 Ｆｉｇ．１ Ｃｕｒｖｅｓｏｆｃｒｅｅｐｓｔｒａｉｎｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｓｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅ
ｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ
从图 １中可看出： （１）泥岩 在 每 一 级 加 载 后，均 会 产 生 明 显 的 瞬 时应变，之后逐渐进入稳态蠕变阶段，此时硬化效应 大于损伤效应。 （２）低加 载 应 力 状 态 下，泥 岩 的 蠕 变 特 征 并 不 显著，进入稳态蠕变阶段后蠕变变形非常缓慢。随 着应力升高，蠕变变形逐渐增大，即稳态蠕变速率逐 渐升高，在破坏应力状态下，在稳定蠕变过后，逐渐 出现非线性加速蠕变，蠕变进入非稳定型，此时损伤 效应逐渐超过硬化效应，表明泥岩进入实质性损伤， 预示着其失稳破坏即将到来。 （３）相 同 围 压 下，温 度 越 高，其 蠕 变 应 变 量 越 大，蠕变破坏应力越小，蠕变加载时间也越短，且非 线性加速蠕变特征越明显。这表明高温的软化作 用，让泥岩内部分子的热运动显著增强，一方面使得 泥岩内部颗粒力学性质发生弱化，另一方面削弱了 颗粒之间的胶结作用，因而在总体上使得泥岩的延 性得到提高，但承载力减弱，宏观上则体现为蠕变破 坏应力的降低和蠕变应变的增加 。 ［１１］ （４）相同 温 度 下，围 压 越 大，破 坏 应 力 越 大，延 性也越强。
盐岩短期强度和变形特性试验研究

盐岩短期强度和变形特性试验研究

triaxial compression(confining pressure is 10 MPa)
40
偏应力/MPa
30
围压 0 MPa
20
围压 5 MPa
围压 10 MPa
10
围压 15 MPa
0
0
2
4
6
8
10
轴向应变/%
图 7 金坛盐岩不同围压下偏应力–轴向应变曲线
Fig.7 Deviatonic stress-axial strain curves of Jintan rock salt
Abstract：The rock salts from Yingcheng mine of Hubei Province and Jintan mine of Jiangsu Province were studied through uniaxial compression，triaxial compression and Brazilian tests. The properties of short-term strength and deformation of the two rock salts were analyzed. The experimental results indicated that the rock salts from two different places exhibit similar mechanical behaviors though there are some quantitative discrepancies. The failure of two kinds of rock salts can be described well by Mohr-Coulomb failure criteria. The results also indicated that the rock salts have considerable plastic deformation capability and dilatant deformation capability； and the rocks behave obvious strain hardening characteristic under high confining pressure. The presented results can be expected to provide useful references to the stability analysis of rock salt in underground engineering and the site selection of energy storage in rock salts. Key words：rock mechanics；rock salt；short-term strength；compression test；strain harden；dilation
深井石油套管盐膏岩层蠕变挤压应力计算研究

深井石油套管盐膏岩层蠕变挤压应力计算研究

从图 5 看出，要使该井安全钻井，应使用 1.80～1.85 g / cm3 的饱和盐水钻井液，选用抗挤强 度大于 100 MPa 的套管。该地区后又钻了一口替代 井，钻盐膏层使用的泥浆密度为 1.80 g / cm3，成功 下入尺寸大一级(19.37 cm)的高强度 SM110T 无接 箍套管。
5结论
例，就盐膏层蠕变挤压应力进行了计算分析。结果表明，研究成果与实际观察到的现象相吻合。
关键词 盐岩力学，管损，计算分析
分类号 TE 21
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2002)04-0595-04
1前言
加的蠕变挤压应力是必然的。因此，井管蠕变挤压 应力计算分析研究对盐岩地区石油钻井十分重要。
第 21 卷 第 4 期
曾义金等. 深井石油套管盐膏岩层蠕变挤压压力计算研究
σ 与体积蠕变压缩率比值表述。由此导得蠕变压缩
最大蠕变时步计算式如下：
100
σρ
Δ
t
cr max
=
KB0 (eB1 σ
− 1) eB2ρ
(5)
80
60
• 597 •
盐岩蠕变应力/ MPa
4 分析模型在盐膏层蠕变压力中的 计算实例
性。根据盐岩的蠕变特性，选用幂指数本构模型，
其形式为
ε&s = Dσ en (−Q R T)
(2)
式中：D，n 为材料常数；R 为气体常数；Q 为活动
能量；T 为温度。
体积变形部分设定为弹性，由弹性基本理论决
定：
ε&kk
=
σ& kk 3K
(3)
在 FLAC3D 计算分析中，作蠕变分析时，计算
中所给时步代表真实时步。在蠕变等时间相关计算