层状盐岩高温蠕变特性研究

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层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型

层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型

层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型赵延林1,2,张英3,万文1,2(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭411201;3.湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201)摘要:以湖北云应盐矿地下600~700m 的含泥岩夹层的层状氯化钠盐岩试件为研究对象,进行常规力学实验和不同应力批次下的单轴压缩蠕变试验,发现层状盐岩是一种特殊的组合软岩,其弹性模量比较少,盐岩层横向变形能力很大.蠕变试验得出:(1)在充分长的蠕变时间内,层状岩盐蠕变的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段显现明显,且加速蠕变阶段持续时间较长;(2)在稳态蠕变阶段出现了夹层内陷和盐岩层外鼓现象.这种不协调蠕变将导致层面的剪切错动.建立层状岩盐蠕变破坏模型,定义层状盐岩蠕变损伤变量为盐岩试件环向拉应变与盐岩的极限拉应变之比,从理论上揭示了夹层与盐岩层蠕变特性的差异而导致盐岩层蠕变破坏机理,较好地解释了夹层首先劈裂破坏,带动盐岩互层张拉裂纹扩展的实验现象.关键词:层状盐岩;蠕变特性;蠕变试验;破坏机理中图分类号:TU452;O357.3文献标识码:A文章编号:1674-5876(2010)01-0016-05收稿日期:2009-09-24基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007CB209400);国家自然科学基金资助项目(50774093);煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助项目(2008001)通信作者:赵延林(1973-),男,湖南湘潭人,讲师,博士,研究方向:岩石力学及多场耦合.E-mail:yanlin_8@矿业工程研究Mineral Engineering Research第25卷第1期2010年3月Vol.25No.1M ar.2010能源作为国家的经济命脉具有重要的战略意义,石油、天然气等能源战略储备关系到国家的安全和社会的稳定.地下油气能源储库工程是供气(油)系统用来满足市场调峰需求的重要工程,也是关系国家能源安全的大型岩土工程.目前世界上通常将地下能源储库建造在岩盐沉积岩中,因为岩盐结构致密,孔隙率极低(0.01%~5%),渗透率约为10-17~10-21m 2,有良好的蠕变行为等优良物理特性而被世界广泛用于油气储备[1-3].但盐穴能源储库在我国还是全新的项目,为实现“西气东输”工程对长江三角洲地区安全稳定的供气,经过专业工作者结合地质、水文、工程等诸多因素的综合勘察设计,将常州盆地的金坛盐矿用以建设地下储气库[4,5].盐穴能源储库要选择岩盐纯度比较好的盐层造腔,但在我国盐丘型矿床的稀缺,盐层中经常含有平面上连续分布的夹层,这些夹层岩盐品位比较低,主要有石膏、泥页岩等组成,在层状盐岩矿床中建造油气能源储库,比厚盐丘内建造油气能源储库涉及的力学和技术问题更复杂[6].不仅要考虑溶腔的蠕变收敛性、矿柱及盖层的稳定性外,还要充分考虑层状盐岩蠕变特性的不均质性.目前,国内外对盐岩的力学特性,尤其是蠕变特性进行了大量的试验和理论分析,U.Hunsche 等[7]对盐岩蠕变本构模型作了较为详细的研究;马建春[8]对盐岩的流变特性作了系统研究;杨春和等[9]建立了互层盐岩体的Cosserat 介质扩展本构模型、陈卫忠等[10]建立了盐岩非线性蠕变损伤本构模型.层状盐岩是一种特殊的组合软岩,层状盐岩的蠕变特性及盐岩层和夹层之间的蠕变损伤破坏过程是值得深入研究[11],本文在对湖北云应盐矿地下600~700m 的层状盐岩试件进行短、长期试验的基础上,提出了层状盐岩的蠕变损伤破坏模型.可为层状盐岩矿床地下油气能源储库的安全性能评价提供理论参考[12].1层状岩盐的短、长期力学特性层状盐岩试样为含泥岩夹层的氯化钠盐岩试件,试样采自湖北云应盐矿地下600~700m 的盐岩矿床,采用地质钻机套取岩芯,由于层状盐岩含有弱面层,无法取得标准件,依据岩石力学试验标准,采用高径比为2∶1的φ90mm ×180mm 的圆柱试件,采用干式锯磨法进行全部试件的加工.1.1短期力学特性对层状盐岩、纯盐岩及泥岩进行各种常规试验得出:1)层状盐岩是一种特殊的组合软岩,其单轴抗压强度比常见岩石低,变形模量比较少,其中盐岩层横向变形能力很大,在轴向应力σ=0.5σc (σc 为盐岩试件的抗压强度)左右时,盐岩层横向变形系数可达到0.48,这其中已包含了非连续介质力学意义上的横向变形;表1为单轴压缩条件下层状盐岩的实验结果表.2)泥岩夹层的泊松比盐岩层的要小,而弹性模量比泥岩夹层要大.图1为泥岩、盐岩及层状盐岩单轴压缩应力-应变曲线,当应力达到峰值应力时,盐岩轴向应变最大,泥岩最小,而层状盐岩轴向应变值在盐岩和泥岩之间.泥岩弹性模量是盐岩的4.2倍左右,泥岩的泊松比是盐岩的0.74倍左右,在相同应力水平下,盐岩的变形比泥岩大许多,在应力水平σ=15.5MPa 时,盐岩试件的轴向应变为0.373%,而泥岩试件的轴向应变为0.08%,前者是后者的4.66倍,而单轴抗压强度泥岩只比盐岩略大,因此层状盐岩在单轴压缩应力下,其变形主要由层状盐岩中的盐岩层贡献[14].1.2长期力学特性为研究层状盐岩的长期强度,对层状盐岩试件进行中长期的单轴蠕变试验,岩石蠕变试验在岩土力学流变试验室进行,采用长春朝阳公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,该流变仪主要用于岩石和岩石弱面的流变试验或岩石直剪、单轴压缩、岩石双向压缩等试验,主机组合门式框架结构由轴向力加载框架、横向力加载框架、控制柜、吊车等部分组成,本试验用到的轴向力加载框架主要由机座、滚珠丝杠副、动横梁、固定横梁及轴向升降装置组成,并选用先进的日本松下全数字交流伺服高速系统,控制系统采用进口原装德国DOLI 全数字伺服控制器(图2).对层状盐岩试件按不同应力批次进行单轴蠕变实验,采用单级加载方式,将单轴抗压强度分成4级,第1~4批次分级应力分别为σ1=8MPa,σ2=11MPa,σ3=14MPa,σ4=16M Pa,蠕变进行时间在120~160d 之间;同一应力批次下设计5个岩样,加工后的试样侧面光滑,端部平整度0.05%以下,符合《国际岩石力学试验规程》要求.图3为加载应力11M Pa 下,层状盐岩试件2#的蠕变试验曲线,在此应力水平下,蠕变时间在0~130d 内,层状盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段及加速蠕变阶段均显现.衰减蠕变阶段历时大约为15d,衰减蠕应变占总蠕应变的70%~80%,稳态蠕变阶段持续很长,稳态蠕变率在6.07×10-6d -1左右,在t =130d 左右,蠕变进入加速阶段,约持续12d 后,试件破坏.图4为加载应力16M Pa 下,蠕变时间在0~160d 内,层状盐岩试件4#的蠕变试验曲线,在应力水平下,衰减蠕变阶段历时约30d,定常蠕变率3.7×10-5d -1,加速蠕变阶段从t =127d 开始,加速蠕变历时33d 后,试件破坏.表1单轴压缩条件下层状盐岩试件实验结果表Tab.1Experimental results oflayered rock salt samples under uniaxial compression单轴抗压强度σc /MPaσ=0.5σc出现宏观裂缝时泊松比μ轴向应力σv /M Pa 轴向应变ε/%22.80.4816.50.45切线模量E /GPa8.1图2层状岩盐单轴蠕变试验装置Fig.2Uniaxial static creep test of layered rocksalt试验发现层状岩盐试件蠕变具有2个显著的特征:(1)稳态蠕变阶段,由于泥岩夹层与岩盐蠕变率存在差异,具有强流变性的盐岩蠕变率要大于泥岩夹层的蠕变率,在稳态蠕变阶段出现了试件夹层内陷和盐岩层外鼓的现象.这种不协调的蠕变将导致层面的剪切错动,在层状盐岩中建立油气储库,这种不协调的蠕变将导致盐岩与夹层间错动,为油气渗漏提供了通道.图5为层状盐岩蠕变不均质性而导致层间蠕变破坏示意图.(2)与其它岩石相比,层状盐岩的加速蠕变阶段持续时间较长,加载应力在11~16MPa时,加速蠕变阶段持续在10~32d之间.岩盐晶体中存在易于劈裂的解理面,在外力作用下很容易沿平行于解理面的平面裂开成立方体,盐岩层一般在蠕变初期就能形成微裂隙,逐渐发展,稳态蠕变阶段时裂隙基本上达到稳定,当蠕变进入加速阶段时,发现在许多层状盐岩试件中,夹层首先劈裂破坏,带动互层处盐岩层张拉破坏,最终盐岩层因轴向张拉裂纹劈裂而失效[14,15].图6为层状盐岩试件4#在实验前和蠕变破坏后的对比示意图.用唯象流变理论来研究试验结果,采用5次多项式对2#,4#试件的蠕变数据进行曲线拟合.得出了湖北云应盐矿层状盐岩试件2#,4#的蠕变拟合方程为ε(t)=C5t5+C4t4+C3t3+C2t2+C1t+C0.(1)拟合参数见表2.2层状岩盐蠕变损伤破坏模型层状岩盐试件蠕变试验发现蠕变破坏时,夹层泥岩首先劈裂破坏,裂纹逐渐扩展到盐岩层部分,带动盐岩层的张拉裂纹扩展.图7为夹层带动盐岩层张拉裂纹扩展破坏图.为深入研究这种蠕变破坏的力学机理,本文尝试建立层状岩盐蠕变损伤破坏模型.层状岩盐是由岩盐层和夹层组成的一个组合系统.根据层状盐岩的结构及蠕变力学特征,建立组合蠕变力学模型.假定各岩层的蠕变规律均符合Burgers模型但各岩层的蠕变参数相异;且组合系统的总变形量等于各岩层子系统的变形量之和.层状岩盐组合蠕变模型可用图8来表示.在施加常应力σ=σ0作用下,岩盐层的变形量为ε1(t)=J1(t)σ0=tη2+1E0+1E1[1-exp(-E1η1t)!"]σ0.(2)夹层的变形量为NaCl盐岩高盐分泥岩夹层图5层状盐岩各层间蠕变破坏示意图Fig.5Schematic diagram of creepfailure of each interlayer of bedded rocksalt(a)实验前(b)蠕变破坏后图6层状岩盐试件4#Fig.6Bedded rock salt specimen4#表2蠕变拟合参数Tab.2Fitting parameters of creep应力水平/MPa C0C1C2/10-3C3/10-4C4/10-6C5/10-911.0-0.1680.140-5.7 1.0-1.0 6.016.0-0.2080.139-6.1 1.0-1.08.0图7层状岩盐蠕变破坏Fig.7Creep failure of bedded rock saltspecimenε2(t)=J2(t)σ0=tη'2+1E'0+1E'1[1-exp(-E'1η'1t)]σ0.(3)组合系统的总变形量:ε(t)=ε1(t)+ε2(t).(4)当t=t r,夹层首先达到应变极限值εe,这时岩盐层所产生的轴向应变值为ε1(t r)=εe1J2(t r)J1(t r).(5)单轴压缩条件下,此时盐岩层的环向拉应变为εr(t r)=μJ1(t r)σ0,(6)式中,μ:盐岩的泊松比.当夹层达到应变极限值εe时,破坏后夹层出现弹性卸载,而进入塑性变形阶段,出现宏观破坏,同时伴随着体积膨胀和顺层变形,对相对完整的岩盐层形成拉应力作用,图9为夹层破裂时,层状盐岩受力状态示意图.夹层劈裂错动对互层附近盐岩产生的拉应力可用下式表示:σt(t)=β(t)σ0tanφ,(7)式中,tanφ:互层界面的摩擦系数,β(t):时间相关的影响函数在0~1之间.可用下式表示:β(t)=1-e-λ(t-t r).(8)单轴压缩条件下,由σt对盐岩层产生的附加环向拉应变为Δεr(t)=σtE0=β(t)σ0tanφE0.(9)盐岩环向拉应变可表示为εr(t)=μJ1(t r)σ0t<t rεr(t)=μJ1(t r)σ0+β(t)σ0tanφt≥t r≥≥≥≥≥≥≥≥≥.(10)当盐岩层的环向拉应变εr(t)达到盐岩的极限拉应变ε(t)时,层状盐岩失效破坏.定义层状盐岩蠕变损伤变量D为盐岩环向拉应变εr(t)与盐岩的极限拉应变εt之比:D=εr(t)εt=D1=μJ1(t r)σ0εtt<t rD1+D2=μJ1(t)σ0+β(t)σ0tanφE0tt≥t r≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥.(11)蠕变损伤变量D表征了层状盐岩随时间的损伤演化过程,当t<t r时,夹层没有破裂,夹层不会对盐岩产生损伤;t≥t r时,夹层劈裂错动对盐岩产生损伤,图10为层状盐岩蠕变损伤变量的特征演化曲线,其中D2表征夹层劈裂错动对盐岩产生损伤.图10显示了在,蠕变损伤是由盐岩晶粒错动而导致,夹层对盐岩的蠕变损伤没有贡献,t≥t r时蠕变损伤D来自两部分D1,D2,一部分为盐岩层自身D1,另一部分来自夹层破裂而导致的蠕变损伤D2.3结论1)层状盐岩是一种特殊的组合软岩,变形模量比较少,盐岩层横向变形能力很大;层状盐岩在单轴压缩Mechanical properties of bedded rock salt and creep failure modelZHAO Yanlin 1,2,ZHANG Ying 3,WAN Wen 1,2(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe M ining Techniques of Coal M ines,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201China)Abstract :Taking the Sodium Chloride rock salt specimens containing mudstone interbed,located at 600~700m level of Yunying salt-mine in Hubei Province as the research objects,the conventional mechanical tests on the specimens and uniaxial compression creep tests on the specimens under multi batch stress levels were performed.The conventional mechanical tests obtained the result that the bedded rock salt is a kind of special combined soft rock,its elastic modulus is comparative little,but lateral deformation of the rock salt is great under uniaxial compression stress state.Through creep experiments,the results were obtained as follows:(1)If the duration of creep is enough long,the attenuation creep stage,the steady creep stage and the accelerative creep stage are appeared during the bedded rock salt creep,with the accelerative creep stage last longer compared with other rocks.(2)The phenomenon of invagination of interlayer and bulge of rock salt is found at the steady creep stage.Uncoordinated creep deformation may lead to shear dislocation in the interbed.Creep failure model of bedded rock salt is also established in which the damage variable is viewed as the ratio of the ring tensile strain of specimens and ultimate tensile strain.M echanism of creep failure in the rock salt strata induced by the differences in creep characteristics of the interlayer and that of rock salt theoretically is revealed.The experimental phenomena that the interlayer splits failure firstly,then the failure of interlayer driving tension cracks propagating in interbedded rock salt is reasonably explained.Key words :bedded rock salt;creep characteristics;creep test;failure mechanism下,其变形主要由层状盐岩中的盐岩层贡献.2)盐岩层蠕变率要大于泥岩夹层的蠕变率,泥岩夹层和盐岩层不协调的蠕变将导致层面剪切错动.3)在充分长的蠕变时间内,层状岩盐蠕变的3个阶段中加速蠕变阶段显现明显,且加速蠕变阶段持续时间较长.4)层状岩盐蠕变损伤破坏模型从理论上揭示了夹层与盐岩层蠕变特性的差异而导致盐岩层蠕变渐进破坏,较好地解释了夹层沿轴向首先劈裂破坏,然后裂纹扩展到盐岩层部分,带动盐岩层张拉破坏.参考文献:[1]Thorms R L,Gehle R L.A brief history of salt cavern use[M ].USA:SM RIFall Meeting,2000.[2]Cosenza P H,Ghoreychia M .In situ rock salt permeability measurementfor long term safety assessment of storage [J].International Journal of Rock Mechanics and M ining Sciences,1999,36(2):509-526.[3]谭羽非,陈家新.国外盐穴地下储气库的建设及研究进展[J].油气储运,2001,20(1):6-8.TAN Yufei,CHEN Jiaxin.The construction and development of foreign underground gas storage caverns in salt formations[J].Oil and Gas Storage and Transportation,2001,20(1):6-8.[4]李建中.我国建设盐穴地下储库工程的可行性[J].岩石力学与工程学报,2002,21(s):2254-2256.LI Jianzhong.Feasibility of underground salt cavern storage[J].Chinese Journal of Rock M echanics and Engineering,2002,21(s):2254-2256.[5]丁国生.具有广阔前景的盐穴地下储备库技术[J].地学前缘,2003,10(4):352-352.DING Guosheng.Technique of underground storages in salt caverns with capacious foreground[J].Earth Science Frontiers,2003,10(4):352-352.[6]杨春和,白世伟,吴益民.应力水平及加载路径对盐岩时效的影响[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):270-275.YANG Chunhe,BAI Shiwei,WU Yimin.Stress level and loading path effect on time dependent properties of salt rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(3):270-275.[7]Hunsche U.Measurement of creep in rock salt at small strain rates[G].The mechanicl behavior of sah proceedings of the second conference.Germany:Trans Tech Publications,1984.[8]马建春.盐岩流变特性的研究[D].重庆:重庆大学,1995.M A Jianchun.Study on rheological behavior of rock salt[D].Chongqing:Chongqing University,1995.[9]杨春和,李银平.互层盐岩体的Cosserat 介质扩展本购模型[J].岩石力学与工程学报,2005,24(23):4226-4232.YANG Chunhe,LI Yinping.Expanded Cosserat medium constitutive model forlaminated salt rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(23):4226-4232.[10]陈卫忠,王者超,伍国军,等.盐岩非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用[J].l 岩石力学与工程学报,2007,26(3):467-472.CHEN Weizhong,WANG Zhechao,Wu Guojun,et a1.Nonlinear creep damage constitutive model of rock salt and its application to engineering [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(3):467-472.[11]赵延林.层状岩盐储库气体渗漏固气耦合模型及储库稳定性研究[D].太原:太原理工大学,2006.ZhaoYanlin.Study on the solid and gas coupling model of gas seepage in layered rock salt storage and the stability of storage[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2006.[12]卻保平.含高盐分泥岩夹层的盐岩蠕变特性及油气储库稳定性研究[D].太原:太原理工大学,2006.XI Baoping.Study on creep property of roc k salt with salt-mudstone interlayer and stability of oil and gas storage cavern[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2006.[13]徐涛,唐春安,王述红.岩石破裂过程围压效应的数值试验[J].中南大学学报(自然科学版),2004,35(5):840-844.XU Tao,TANG Chunan,WANG Shuhong.Numerical tests on confining pressure effect in rock failure process[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2004,35(5):840-844.[14]刘江.层状盐岩力学特性试验研究及其理论分析[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,2006.LIU Jiang.Experimental investigation and theoretic analysis on the mechanical properties of layered rock salt[D].Wuhan:Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2006.[15]吕明.各种地下油气储存峒室及相关的岩石力学问题[C]//油气地下储库国际学术报告会论文集.北京,2004.LU咬Ming.Types of underground oil/gas storage caverns and related rock mechanics problems[C]//Proceedings of International Workshop on Underground Storage of Oil and Gas in Rock Caverns.Beijing,2004.。

层状盐岩高温蠕变特性研究

层状盐岩高温蠕变特性研究

采用 太原 理工 大学设 计 的 由气 体 稳压 的单轴 蠕 变试验 台 , 位移 测量 采用 千分 表 , 温装 置 为 自行 设 加
计 、 度可 控 的加 热 仪 , 率 为 2k , 高温度 可 达 温 功 W 最
20c 其 温度误 差 为 ± 0 C, 2℃ 。
1 2 试 件 制备 .
的放射 性 , 同时 散发 出相 当高 的热量 , 得周 围 岩体 使
的温度 升 高 , 因此 核 废 料 处 置 库 的长 期 安 全 性 更 是 人 们 十 分 关 心 的 问 题 。据 资 料 显 示 , 地 下 约 在
1 0 0 m深处 , 定 量 的核 废 料 的情 况下 , 0 一 由于核 废
总 第 12期 3
d i 1 . 9 9 ji n 1 0 2 9 . 0 0 0 . 3 o :0 3 6 / .s .0 5— 7 8 2 1 . 9 0 8 s
层 状 盐 岩 高 温 蠕 变 特 性 研 究
周 军
( 原 煤 炭 气 化 有 限责 任 公 司 , 太 山西 太 原 0 02 ) 3 0 4

要: 层状盐岩的高温蠕变特性是地下处置库稳定性研 究的关键问题所在。通过对层状盐岩进 行 7  ̄ 0C、
9 ℃ 、l ℃高温蠕变特性试验 , 0 10 研究 了温度及偏 应力对 蠕变 率的影 响 , 根据 蠕变 曲线及试 验参 数 , 回归 出 了稳态蠕变率本构方程 , 并拟合 了试验 参数 , 我 国核废料 硐室 处置库 的建 造及 稳定性 分析 提供理 论依 为
层 状 盐 岩 试 样 全 部 采 自湖 北 应 城 地 下 60~ 0 7 0m, 0 采用地 质 钻机套 取 岩芯 , 经分 析 , 品 的主要 样

盐岩蠕变特征对井筒形变量的影响规律

盐岩蠕变特征对井筒形变量的影响规律

盐岩蠕变特征对井筒形变量的影响规律
闫炎;蔡萌;马文海;张晓川;韩礼红;刘永红
【期刊名称】《西安石油大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】针对盐岩地层普遍出现的套损现象,借助三轴岩石力学实验对取自川东北油气田某地层段盐岩的蠕变特性进行了实验研究。

基于实验结果,构建了可描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征的非定常盐岩蠕变模型,基于该盐岩蠕变模型计算深部盐岩地层蠕变过程中井筒径向位移的变化,计算结果显示井筒内压能有效地降低盐岩内壁的蠕变位移,而地层水平主应力和上覆地层压力可增大地层的偏差应力,从而增加盐岩内壁的蠕变位移。

为避免盐岩蠕变造成套管变形,在水泥中添加空心陶瓷颗粒可有效降低水泥的弹性模量,使得水泥环能充分吸收地层径向蠕变给井筒系统增加的应变能,进而降低对套管的挤压作用,减小套变风险,形成油气井工程上一种新型套管止变技术方法。

【总页数】8页(P42-49)
【作者】闫炎;蔡萌;马文海;张晓川;韩礼红;刘永红
【作者单位】中国石油集团工程材料研究院有限公司;中国石油集团大庆油田分公司采油工程研究院;中国石油大学(华东)机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE931.2
【相关文献】
1.2005年度国家科技进步奖二等奖——深层盐膏岩蠕变规律及其在石油工程中的应用
2.相对湿度对盐膏岩蠕变规律影响的机理研究
3.不同应力状态下多杂质盐岩分数阶蠕变模型参数演化规律研究
4.盐岩蠕变对水泥环气密封完整性影响规律研究
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盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型王军保;刘新荣;郭建强;黄明【摘要】为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验.试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高.基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别.拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)003【总页数】7页(P445-451)【关键词】盐岩;蠕变特性;非线性模型;参数识别【作者】王军保;刘新荣;郭建强;黄明【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;重庆大学土木工程学院,重庆400045;西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;重庆大学土木工程学院,重庆400045;重庆大学土木工程学院,重庆400045;福州大学土木工程学院,福建福州350108【正文语种】中文【中图分类】TD313;TU45Key words:salt rock;creep properties;nonlinear model;parameters identification蠕变特性作为盐岩典型的力学性质之一,是影响盐岩地下储存库长期稳定性、安全性以及可用性的关键因素。

由于盐岩在能源地下储存方面的重要地位,近年来国内外学者对盐岩蠕变特性及其本构模型进行了较多研究。

岩土体蠕变特性研究及应用

岩土体蠕变特性研究及应用

岩土体蠕变特性研究及应用岩土体蠕变是土壤和岩石在应力作用下发生的变形现象。

它在土木工程中起着重要的作用,对工程结构的稳定性和可靠性有着重要影响。

本文将探讨岩土体蠕变特性的研究以及其在工程中的应用。

首先,我们来了解一下岩土体蠕变的基本概念和特性。

岩土体蠕变是指在长时间持续应力作用下,土壤和岩石表现出的强度降低和变形增加的现象。

这种蠕变现象不仅与岩土体的应力状态有关,还与时间、温度、湿度等因素密切相关。

岩土体蠕变可以分为短期蠕变和长期蠕变两种。

短期蠕变主要是指土壤和岩石在较短时间内发生的可逆性变形,而长期蠕变则是指土壤和岩石在较长时间内发生的不可逆性变形。

为了深入了解岩土体蠕变的特性,研究人员采用了各种试验方法和数学模型。

其中一种常用的试验方法是延长剪切试验。

该试验通过施加不同的剪切应力和时间持续来研究土壤和岩石的蠕变特性。

通过实验数据的统计和分析,研究人员可以得出岩土体蠕变的关键参数,如蠕变模量、蠕变指数等。

这些参数对于工程设计和结构稳定性的评估非常重要。

岩土体蠕变的研究成果在工程中有着广泛的应用。

首先,岩土体蠕变的研究可以帮助工程师评估和预测土地和基础的变形情况。

在土木工程中,准确评估土壤和岩石的蠕变特性对于基础设施的设计和施工至关重要。

如果不考虑蠕变效应,工程结构可能会发生变形或失稳。

通过对岩土体蠕变特性的研究,工程师可以采取相应的防护措施,确保工程的稳定性和持久性。

其次,岩土体蠕变的研究还可以为土木工程中的设计提供有关土体性质和力学行为的重要信息。

例如,在道路和桥梁的设计中,工程师需要了解土壤和岩石在不同应力条件下的变形特性。

通过分析岩土体的蠕变特性,工程师可以制定合理的设计方案,确保道路和桥梁的稳定性和安全性。

此外,岩土体蠕变的研究还对地震工程和地下工程领域具有重要意义。

地震是土木工程中一个重要的考虑因素,而土壤和岩石的蠕变特性对于地震波传播和结构响应有着重要影响。

在地下工程中,例如隧道和地下储存设施的设计中,工程师需要考虑土壤和岩石的蠕变特性以保证工程的可靠性和安全性。

层状盐岩蠕变变形相互作用研究

层状盐岩蠕变变形相互作用研究

第31卷第12期 岩 土 力 学 V ol.31 No.12 2010年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2010收稿日期:2009-04-23基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(No. 2009CB724602);国家自然科学基金项目(No. 51004049);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目;河南省教育厅2010年度自然科学研究计划项目(No. 2010A480002);华北水利水电学院高层次人才基金项目。

第一作者简介:王安明,男,1975年生,博士,副教授,主要从事层状盐岩力学特性和地下工程稳定性等方面的研究工作。

E-mail: wam992001@文章编号:1000-7598 (2010) 12-3964-07层状盐岩蠕变变形相互作用研究王安明1,李小根1,杨春和2,黄志全1(1.华北水利水电学院,郑州 450011;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室,武汉 430071)摘 要:考虑泥岩夹层和盐岩的弹性性质和稳态蠕变性质,通过数值试验方法计算层状复合盐岩体在单轴和低围压三轴荷载作用下蠕变变形过程中力学相互作用和变形时效规律,分析泥岩夹层和盐岩层因蠕变率不匹配对层状盐岩蠕变的影响,初步讨论了层状复合岩体的复合材料研究方法。

结果表明,层状盐岩中泥岩夹层与盐岩因弹性参数不匹配产生的初始应力集中在蠕变过程中发生松弛,因泥岩夹层与盐岩层蠕变率不匹配导致两者之间应力重分布,泥岩夹层对盐岩层的蠕变有明显抑制作用。

这些分析体现了层状盐岩蠕变过程的非线性性质,为建立层状盐岩体合理本构模型奠定了基础。

关 键 词:层状盐岩;蠕变率不匹配;应力重分布;数值试验方法 中图分类号:O 319.56 文献标识码:AStudy of interaction between creep deformation of bedded salt rockWANG An-ming 1, LI Xiao-gen 1, YANG Chun-he 2, HUANG Zhi-quan 1(1. North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanicsand Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)Abstract: Considering elasticity and steady-state creep of mudstone and salt rock, numerical experiment approaches are employed to study mechanics and time-dependent law of bedded salt rock under uniaxial and low confining pressure triaxial loadings; the effect of creep rate mismatch between salt rock and mudstone on the creep of bedded salt rock is analyzed. Finally, composite material research methods of laminated composite are preliminary discussed. It is shown that the initial concentrated stresses induced by elastic parameters mismatch are relaxed in the process of creep; stress redistribution induced by creep rate mismatch between salt rock and mudstone is exhibited; interlayer(mudstone) with relatively small steady creep rate obviously influences the creep of bedded salt rock. These analyses reflect the nonlinear creep behavior of bedded salt rock, so as to lay the basis for establishing constitutive law in the future.Key words: bedded salt rock; creep rate mismatch; stress redistribution; numerical experiment approaches1 引 言与国外大量存在的“盐丘型”储层条件不同,我国盐岩层分布存在着盐岩层数多、单层厚度薄、盐岩体中一般含有众多夹层(如泥岩层等)的独有特点,其一般为盐岩中含有不同厚度水平泥岩夹层和盐岩层交替出现的互层盐岩体,这也常常称之为层状盐岩体[1]。

高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性的实验研究

高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性的实验研究

高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性的实验研究随着科学技术的发展,社会和经济的迅速发展,地质资源的开发利用和高技术的应用也日益成为一种必要。

因此,研究高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性及其对矿山安全生产的影响变得尤为重要。

本文将重点介绍高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性的实验研究。

首先,概述一下二辉橄榄岩。

二辉橄榄岩是一种深成岩,由熔融完全熔融的二辉橄榄岩质组成,它主要由钾长石、橄榄岩、长石、石英等交互组成。

其岩石物理特性取决于其晶体结构、普里昂层状及其中部分颗粒特征,有高抗压强度特性,但相对较低的抗拉强度特性。

由于其特殊的物理性质,它是许多矿山工程项目开发过程中,不可或缺的部分。

在开发工程中,二辉橄榄岩受到高温高压的影响,会发生蠕变变形,从而影响开发中的安全和稳定性。

因此,对二辉橄榄岩的蠕变特性的研究显得尤为重要。

本研究采用高温高压实验研究了二辉橄榄岩的蠕变特性,以获得二辉橄榄岩蠕变参数。

高温高压实验室具有最新的高温高压设备,可满足研究需求。

实验利用该设备,将二辉橄榄岩实体放入真空环氧树脂容器中,并对模型进行高温高压处理,从而获得二辉橄榄岩的蠕变特性参数。

在实验中,我们首先将模型的温度和压力设置在预定的温度和压力范围内,然后在这一范围内维持温度和压力不变,并通过蠕变测试机在不同时间观察蠕变变形,从而确定蠕变特性参数。

实验结果表明,随着温度和压力的升高,二辉橄榄岩的蠕变变形也在增加,并表现出显著的温度升高和压力升高的敏感性。

另外,实验结果还表明,在温度和压力较低的条件下,二辉橄榄岩的蠕变变形表现出较低的蠕变变形,并随温度和压力的升高而增加。

综上所述,本研究对高温高压下二辉橄榄岩蠕变特性的实验研究,可以得出结论:(1)二辉橄榄岩蠕变变形随温度和压力的升高而增加;(2)二辉橄榄岩具有较高的温度和压力敏感性;(3)在低温低压条件下,二辉橄榄岩的蠕变变形较小;(4)二辉橄榄岩蠕变特性对矿山安全生产具有重要意义。

本研究仅限于研究高温高压下二辉橄榄岩的蠕变特性,有待进一步的应用研究。

240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究

240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究

第23卷第14期岩石力学与工程学报23(14):2365~2369 2004年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July,2004 240℃内盐岩物理力学特性的实验研究*梁卫国1赵阳升1,2徐素国1(1太原理工大学采矿工艺研究所太原 030024) (2中国矿业大学能源科学与工程学院徐州 221000)摘要由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。

研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。

因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。

通过对无水芒硝盐岩试件在20℃~240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现,随温度的升高:(1) 盐岩试件的超声波速在降低,超声波速与温度的关系为:v = 3.38e-0.003 2T;(2) 盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大,而变形模量Eθ则在降低,盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显,经回归分析,得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线:σc = 4.54ln(T)-3.04;(3) 盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大,尤其是内摩擦角增幅明显,在20℃,60 ℃及120 ℃时的强度曲线分别为:τ = 6.11+σ tan22.5°,τ = 7.06+σ tan27.6°,τ = 7.09+σ tan33.9°;(4) 盐岩的剪切强度增强,剪切峰值强度与温度呈线性关系:τpeak = 0.009 7T+6.960 9。

关键词岩石力学,盐岩,高温,力学特性,温度效应,核废料处置,实验研究分类号TU 458+.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2365-05TESTING STUDY ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OFHEATED SALT ROCK WITHIN 240℃Liang Weiguo1,Zhao Yangsheng1,2,Xu Suguo1(1Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024 China) (2College of Energy Resource and Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000 China)Abstract Salt rock is regarded as the ideal host rock for nuclear waste disposal due to its advantageous geological conditions and physico-mechanical properties. Study shows that nuclear wastes still have strong radiation energy,and make the surrounding rock heavily heated after many years of underground disposal. So the study of the physical and mechanical properties of heated salt rock is important and essential to ensure the safety of nuclear wastes disposed in salt rock. Through a series of tests for heated salt rock at different temperatures ranging from 20 ℃ to 240 ℃ in this paper,several conclusions are generated as follows. (1) The ultrasonic velocity of salt rock decreases with the rising of temperature,and the the ultrasonic velocity and the temperature are of exponential relation. (2) Both the uniaxial compressive strength and the axial strains of salt rock increase with the rising of temperature,while the modulus of deformation turns to the opposite direction. (3) The characteristic of plastic deformation and strain softening becomes distinct at high temperatures,and through regressive analysis,a relation between the uniaxial compressive strength and the temperature is obtained. (4) The values of the cohesion and the internal friction angle of salt rock increase with the rising of temperature,and the strength equations of salt rock at 20 ℃,60 ℃,and 120 ℃are obtained. (5) The peak shear strength and the ultimate friction strength of salt rock both increase with the rising of temperature,and the relation of shear strength2003年6月18日收到初稿,2003年8月12日收到修改稿。

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层状盐岩高温蠕变特性研究
摘要:
本文旨在研究层状盐岩的高温蠕变特性。

在实验的过程中,层状盐岩的滑移活动被测量,以研究不同温度和应力下的蠕变特性。

结果表明,当温度增加时,层状盐岩的蠕变也会随之增加,这表明层状盐岩的蠕变特性受温度的影响。

此外,随着应力的增加和减少,层状盐岩的蠕变量也会有所变化。

因此,层状盐岩是一种敏感的材料,应用在高温条件下具有较大的蠕变特性。

关键词:
层状盐岩;高温;蠕变;应力。

正文:
层状盐岩是一种常见的构造材料,广泛用于地质勘探、地震探测和工程建设等领域。

层状盐岩的高温蠕变特性是一个重要的话题,因为它可能会影响到层状盐岩的整体性能和稳定性。

为此,本研究以层状盐岩为研究对象,进行了高温蠕变特性的实验研究。

首先,根据ASTM标准进行层状盐岩试样的制备,离心机将其分级并用细砂磨光,然后经过高温氢气体烧结后形成所需的层状盐岩试样。

在实验过程中,样品的室温滑移活动量和高温滑移活动量均进行了测量,以研究不同温度和应力下层状盐岩的蠕变特性。

经过实验研究,我们发现,当温度从室温升至200℃时,层状
盐岩的滑移活动量也会随之显著增加,这表明层状盐岩具有较大的温度敏感性。

此外,层状盐岩的滑移活动量还受应力和温度双重控制,当应力增加时,滑移活动量也会增加;当应力减小时,滑移活动量也会减小。

综上所述,我们得出结论,层状盐岩是一种敏感的材料,其蠕变特性受温度和应力的双重影响。

层状盐岩的蠕变特性对于评估高温地质环境中层状盐岩的稳定性具有重要意义。

除了温度和应力之外,层状盐岩的蠕变特性还受到其他一些因素的影响,例如材料的结构、组成及其本身的温度--能量平衡。

就温度而言,层状盐岩的高温特性受到构造温度的影响,它决定了该地区层状盐岩的温度变化趋势,同时也决定了层状盐岩的高温蠕变特性。

其次,层状盐岩的蠕变特性还受到材料的自身本质的影响,例如层状盐岩的结构、晶体类型等,它们对层状盐岩的温度敏感性和蠕变特性都具有重要影响。

另外,层状盐岩的蠕变特性还受到外界因素的影响,例如气体流体的作用、隆起的应力、外温的变化等。

因此,在高温条件下,随着外界因素的影响,层状盐岩被挤压,出现裂缝或者岩心的滑动,会影响层状盐岩的蠕变特性。

总之,层状盐岩的高温蠕变特性是由温度、应力以及材料本身的结构组成和外界因素共同影响所决定的。

因此,在实际应用中,必须考虑这些因素,才能得出准确的预测结果。

在应用中,采用实验方法研究层状盐岩的蠕变特性是非常有必要的。

首先,从温度上考虑,层状盐岩的蠕变特性是在一定温度下被研究的,以考察不同温度下层状盐岩的变形和滑移活动的情况。

其次,
从应力的角度出发,分别在不同的应力范围内测量层状盐岩的变形和滑移活动,以便于评估该材料在不同应力范围内的变形特性。

此外,层状盐岩的蠕变特性也可以使用各种分析工具来研究,如数值模拟、数据分析等,可以结合实验测量结果,更好地评估层状盐岩的蠕变特性。

最后,应该强调的是,层状盐岩的高温蠕变特性在实际应用中是非常重要的,因为它在很大程度上会影响层状盐岩的稳定性。

因此,在应用层状盐岩之前,必须及时研究其蠕变特性,以便对层状盐岩的蠕变特性有深入的认识,从而更好地评估层状盐岩的稳定性。

此外,研究层状盐岩的蠕变特性还有助于理解层状盐岩的地质历史遗留问题,以及探测该地区层状盐岩存在的滑动现象。

在实际应用中,对层状盐岩的蠕变过程的理解和描述,可以有效分析影响层状盐岩稳定性的前因后果,也能够为层状盐岩的开发、利用提供参考。

总之,层状盐岩的高温蠕变特性是一个复杂的问题,应该综合考虑其中温度、应力以及外界因素的影响,并采用多种实验和分析方法对其进行研究。

因此,可以准确预测层状盐岩的变形特性,从而提高对层状盐岩的稳定性和可控性,保障它们在实际应用中的安全可靠性。

在实践中,需要更加精细地探究层状盐岩的蠕变特性,以有效实现对其变形特性的敏感性测试。

这就需要考虑到材料本身的组成和外界因素,比如温度、应力大小、材料和外界土壤的粒度结构等等,以准确地模拟层状盐岩的蠕变行为。

考虑到这一点,采用实验验证的方法研究层状盐岩的蠕变特性,可以在温度、应力范围内分析层状盐岩的变形情况,同时也可以分析材料组成和外界土壤的粒度结构等细微
因素,从而准确地模拟层状盐岩的蠕变行为。

此外,对于层状盐岩的蠕变特性研究,也可以采用分析工具,如数值模拟、数据分析等,以更准确、更快速的方式,得出结论,以便综合评估层状盐岩的蠕变特性。

通过精细的研究,可以更好的理解层状盐岩的蠕变特性,从而更好地控制层状盐岩的稳定性,保障其在实际应用中的安全可靠性。

因此,科学家们需要建立一套完备的实验和分析方法,以更有效地研究层状盐岩的蠕变特性。

在实验设计上,需要考虑到不同地层对应的温度、应力大小,以及材料组成、外界因素、粒度结构等影响因素,以准确地模拟层状盐岩的变形特性。

另外,还可以通过层状盐岩材料的微观分析,采用X射线衍射、扫描电子显微
镜等实验手段,以探究材料的化学成分、晶体结构及其失效机制,从而更深入地了解层状盐岩的蠕变特性。

总之,高温蠕变是影响层状盐岩稳定性的关键因素之一,理解层状盐岩高温蠕变的特性,对于层状盐岩的开发、利用,以及保障其在实际应用中的安全可靠性,具有重要意义。

因此,层状盐岩的高温蠕变特性的研究,需要采用多种实验和分析方法,综合考虑其中温度、应力以及外界因素的影响,以有效预测其变形特性,提高它们的稳定性和可控性。

因此,科学家们可以设计一系列改进的实验。

例如,可以采用X射线衍射、扫描
电子显微镜等实验仪器,以精确地测量材料的微观性质,研究其与温度、应力大小之间的关系,以及外界因素对变形行为的影响;也可以采用不同类型的层状盐岩材料,比较它们在不同温度和应力下的变形特性,以发现特定材料的优势和不足;此外,还可以采用数值模拟的方法,以精准估算层状盐岩的蠕变
行为,进而改进其变形特性。

总之,研究层状盐岩的高温蠕变特性,除了采用实验研究外,还可以借助数值模拟、数据分析等分析工具,以更有效地研究层状盐岩的高温蠕变特性,准确地预测它们的变形行为,提高它们的稳定性和可控性,发挥层状盐岩在矿产资源开发、应用中的作用。

针对层状盐岩的高温蠕变特性,还可以采用不同实验方法,来测量和衡量其在高温下的变形行为。

例如,可以考虑采用微观拉伸实验、半滑动体实验、沿层扩散实验等,以观察其在不同温度条件下的变形行为;另外,高温实验还可用于测量层状盐岩中颗粒分布状态、水分含量等关键参数,作为衡量盐岩变形性能的重要参考。

此外,科学家们还可以采用地球物理、地质学和化学等多学科的手段,以深入地了解层状盐岩的晶体组成、流变性质及其变形过程,为改进层状盐岩的稳定性提供有效的科学依据。

归根结底,研究层状盐岩的高温蠕变特性,需要将实验与理论结合起来,提出一套完善的模型,以有效地改善层状盐岩的可控性和安全性,发挥它们在实际应用中的重要作用。

此外,研究层状盐岩的高温蠕变特性,还可以采用材料复合技术,将多种材料有机地结合起来,形成多孔复合膜,以改善层状盐岩的变形性能。

有些研究人员通过采用多种多孔材料构建复合膜,作为层状盐岩的表层覆盖物,其厚度可达数十毫米,并能够有效地减缓层状盐岩的变形,改善它们的稳定性。

此外,研究人员也可以将多维低密度多孔复合材料应用于层状盐岩结构中,以调控其变形行为。

通过引入不同结构的多孔复
合材料,可以提高层状盐岩的耐震性能,减少因其变形而造成的安全隐患,使其在实际应用中发挥更大的作用。

总之,研究层状盐岩的高温蠕变特性,需要将实验与理论结合起来,采用不同的实验和分析工具,以帮助科学家更好地理解层状盐岩的变形行为,更好地改进它们的稳定性和可控性,帮助其发挥更大的作用。

此外,可以采用改性技术,通过加入多种相容的材料,改变层状盐岩的物理性质,赋予其不同的变形性能。

例如,可以将水泥、硅酸盐以及其他水凝材料掺入层状盐岩中,以形成不同程度的结构及其对应的变形特性,进而实现层状盐岩的改性,改善其可靠性。

另外,可以采用激光扫描技术,对层状盐岩进行三维拉伸测试,以分析不同类型层状盐岩的变形特性,对其变形行为进行详细的分析和预测。

此外,还可以采用X射线衍射和晶体结构分
析等方法,以更好地分析层状盐岩中的单体结构及其变形行为,以改进其可控性。

总之,研究层状盐岩的高温蠕变特性,必须采用多学科和多技术的结合,并结合实验和理论,以真实且有效地分析层状盐岩的变形行为,改善其安全性,最终发挥其在实际应用中的重要作用。

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