卤水腐蚀环境下石膏夹层静态断裂与蠕变断裂力学特性实验研究

摘要

盐岩矿床作为石油天然气储存的理想介质已被广泛应用，主要是由于盐岩渗透率低、水文地质简单、分布广以及具有损伤自愈合的特性。但与国外巨厚盐丘相比，我国盐岩矿床属于层状岩层，典型特征是单层厚度薄、埋藏深，而且盐岩体中一般含有如泥岩、石膏、钙芒硝等众多夹层。其中石膏夹层广泛分布在云应、平顶山等盐岩矿床之中。夹层的存在会对储库建腔过程和运行过程产生诸多不利的影响，并带来一系列的风险和隐患。为揭示这一内在影响规律特征，本论文釆用实验研究方法，对石膏夹层在不同卤水腐蚀环境下的细观结构演化、弱化机理、静态断裂以及蠕变断裂力学特性进行了研究。此外在实验的基础上，采用理论分析与数值仿真的方法对石膏夹层的周期垮塌步距和储库围岩蠕变损伤演化进行了分析和探讨。主要内容如下：
　　通过对不同浓度，不同温度卤水浸泡后的石膏夹层进行SEM实验、MCT实验、压痕试验和析因设计方差分析，揭示了其在不同腐蚀条件下的细观结构演化特征，得出石膏夹层的弱化机理是由于水和温度的耦合作用，而氯离子的作用较弱。然后根据实验结果提出石膏夹层在卤水腐蚀环境下的损伤演化模型，并将模型嵌入到PFC中进行了参数标定。
　　通过对卤水浸泡后的石膏夹层进行单轴断裂韧度实验，得出该值随着卤水温度的升高逐渐降低，而随着卤水浓度的升高，该值变化不明显。然后根据实验结果得出试件在不同环境下的断裂包络线，并与传统断裂包络线进行了对比。为了对试件的开裂角和断裂轨迹进行预测，通过MATLAB自编扩展有限元程序并采用相互作用积分，计算得出了CSTBD型试件的I型、II型无量纲应力强度因子和T应力无量纲应力强度因子。然后以MMTS断裂准则为基准并根据MATLAB计算结果，利用神经网络法反演得出试件在不同腐蚀条件下的FPZ值。结果显示FPZ与卤水温度紧密相关，当选取合适的数值时，MMTS准则预测断裂包络线与卤水浸泡后的试件断裂包络线高度一致。
　　通过对卤水浸泡后的石膏试件进行三轴断裂实验，得出断裂韧度与围压紧密相连，同时揭示了围压可以改变试件的断裂方式，随着围压的升高，试件逐渐从脆性断裂向延性断裂转化。然后对试件变形曲线和断口形貌进行了分析，得出随着围压的增大，试件的脆性指数逐渐增大，剩余能逐渐减小。当围压为1 MPa和3 MPa时，试件表现为穿晶断裂，断裂方式主要为脆性断裂；当围压为5 MPa和7 MPa时，试件表现为沿晶断裂，断裂方式主要为延性断裂。然后以MMTS准则为基准并根据MATLAB计算结果，利用神经网络法反演得出石膏试件在不同围压下的FPZ值。结果表明该值与围压大小紧密相关，当选取合适数值时，MMTS准则预测断裂包络线与不同围压下的试件断裂包络线高度一致。
　　通过对Charles细观应力腐蚀模型进行修正，建立了考虑剪切力的细观蠕变断裂本构模型。该模型同时考虑了不同混合度的拉应力和剪应力对蠕变断裂和裂缝扩展速率的影响。然后通过对石膏试件进行实时蠕变断裂实验，揭示了蠕变断裂的三个过程，得出试件在不同载荷下的起裂时间、稳定阶段裂缝扩展速率和加速阶段裂缝扩展速率并对模型进行了参数标定。然后将修正后细观蠕变断裂本构模型嵌入到 PFC软件中，进行了石膏SCB试件蠕变断裂模拟和理论计算，得出了不同载荷下的蠕变断裂时间，并与实验结果进行了对比分析。
　　基于圆环薄板模型，得出了石膏夹层建腔阶段的周期垮塌步距计算公式。然后对石膏夹层的周期垮塌步距进行了理论计算和ABAQUS数值模拟，得出夹层垮塌步距和垮塌次数与浸泡时间和浸泡温度紧密相关。通过对石膏夹层蠕变断裂进行PFC数值模拟，揭示了石膏夹层在不同内压下的蠕变损伤演化和裂缝扩展规律。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容与研究方案

第二章 卤水腐蚀环境下石膏夹层的弱化机理与损伤演化

2.1 概述

2.2 石膏夹层表面溶蚀弱化机理

2.3石膏夹层内部溶蚀弱化机理

2.4 石膏夹层宏观力学特性弱化机理

2.5 石膏夹层弱化机理及损伤演化方程

第三章 卤水腐蚀环境下石膏夹层单轴断裂特性及其韧度

3.1 概述

3.2 石膏夹层I型断裂特性及其韧度

3.3 石膏夹层混合型断裂特性及其韧度

第四章 卤水腐蚀环境下石膏夹层三轴断裂特征及其韧度

4.1 围压对石膏夹层断裂韧度的影响

4.2 三轴状态下石膏夹层断裂特征

4.3 三轴状态下石膏夹层混合型断裂包络线

第五章 卤水腐蚀环境下石膏夹层蠕变断裂特性及其本构模型

5.1蠕变断裂本构模型

5.2石膏夹层蠕变断裂实验及模型参数标定

5.3石膏夹层蠕变断裂数值模拟及其理论验证

第六章 石膏夹层断裂破坏对盐岩储库的影响

6.1概述

6.2石膏夹层周期垮塌步距研究

6.3储气库石膏夹层蠕变断裂损伤演化

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2不足与展望

参考文献

致谢

博士论文独创性说明

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目