基于弹性应变能盐岩屈服准则及工程应用概述

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1、基于弹性应变能盐岩屈服准则及工程应用概述1绪论1.1立项背景与研究意义由海盆或湖盆水体蒸发而形成的化学成因的岩石称为蒸发岩或盐岩[1]，它包括氯化物岩、碘酸盐岩、硫酸盐岩和硼酸盐岩等，尤以氯化物岩和硫酸盐岩分布较为广泛。其中，代表性矿物有石盐（NaCl）、无水芒硝（Na2SO4）、硬石膏（CaSO4）以及芒硝（Na2SO4•10H2O）等[1]。由于盐岩具有良好的密封、耐压且不易与其它物质发生化学反应的特点[2]，而成为了在国际上获得普遍认可的能源（石油或天然气）储备、有毒有害废弃物和核废料处置的理想介质[3~6]。能源问题是当今世界的一个重大问题

2、。20世纪70年代的两次石油危机，促使西方发达国家开始积极筹划石油的战略储备，至2000年，美、英、法、德、日等主要发达国家石油储备量为60~160天不等，总计约4.0亿吨[7]。其中，美国90%、德国50%、法国30%的石油储存于盐岩库群中[8]。与前两次石油危机有所不同，在1991年的海湾战争期间，由于美日等西方发达国家动用了战略石油储备，不但确保了战争对石油的需求，而且也有效抑制了油价的上涨[7]。自1993年成为石油净进口国以来，我国石油进口量和对外依存度逐年攀升。2002年原油进口接近6000万吨，对外依存度约为20%，根据权威机构的预测[9]，2

3、020年我国石油供需缺口将高达2.0~2.4亿吨左右，对外依存度约为50%~60%。然而，2007年以前，我国即没有政府储备也没有商业储备，且石油系统内部生产性周转原油库存也仅仅为21.6天[9，10]。根据石宝珩有关国家能源安全的要义[9]：能源供给可以满足和确保国家经济、政治和国防安全的需求，可见，实施能源储备特别是将能源（石油或天然气）储存于深部盐岩矿床层中建造的地下储库，是保障我国能源安全的一项重要举措。1.2国内外研究进展及评述自1958年加拿大首次在盐岩溶腔中成功储存碳氢化合物以来[2]，西方主要工业国家就对能源地下储备的基础性、核心性课题盐岩力

4、学理论开展了系统的研究[8]。为推动盐岩溶腔储存技术的发展和完善，国际盐岩力学专业委员会分别于1981（美国）、1984（德国）、1993（法国）、1996（加拿大）、1999（罗马尼亚）、2007（德国）及2012（法国）连续七届召开了盐岩力学大会，讨论了盐岩的短期强度、流变特性以及多场耦合问题[8,21]，为盐岩溶腔的能源储库与核废料的盐岩处置库实用化做出了积极贡献。为了保持不同运营工况条件下盐岩溶腔的稳定性，国内外研究人员从不同的角度对盐岩（层状盐岩）的力学特性进行了研究，初步建立了盐岩（层状盐岩）强度与变形、损伤与渗透性之间的关系[23~75]。盐岩

5、力学特性是盐岩溶腔设计的基础和前提。Hunschel等（1984、1990、1999）、刘新荣等（2005）通过盐岩真三轴与常规三轴试验，指出盐岩的弹性模量、应力峰值随围压的增加而增加[23~26]；Farmer等（1984）在研究中发现当围压大于3.5MPa，盐岩表现为应变硬化特征；而当围压小于3.5MPa，盐岩表现为应变软化的特征，据此得出盐岩临界围压为3.5MPa[27]；Schulze等（2001）通过研究发现，非扩容区的塑性变形不会对盐岩内部结构产生损伤，而扩容区微裂纹的产生和扩展所引起的附加损伤应变将降低盐岩的强度和承载能力[28]；刘江等（20

6、06）、郭印同等（2010）、梁卫国等（2004；2010）、吴文等（2004）通过单轴三轴压缩试验、巴西劈裂试验、剪切试验、应变率效应试验以及压剪联合冲击特性试验，获得了盐岩在不同应力条件下强度与变形特征[29~34]；Cristescu等（1996）、Hunsche等（1996；2000）、Propp等（1999）探讨了盐岩损伤与渗透率的关系，指出盐岩的渗透率随损伤的增加而增加[35~39]。2盐岩力学与蠕变特性的试验研究2.1试验概况试验研究的试样取自于江苏洪泽赵集矿区1400~2200m钻井岩芯，矿区工业矿层上部以石盐矿（NaCl）为主，下部以无水芒

7、硝（Na2SO4）为主，夹层岩性以泥岩和盐质泥岩（平均含盐量18%）为主。矿区盐岩质地较纯，呈白、灰白、部分略带灰黑色不溶物杂质，其具体物理特性见表2.1。从2#钻井勘探资料揭露的地质情况来看，上部石盐矿的厚度约160m（含夹层），石盐矿体中心的埋深约为1780m，盐层的顶、底岩层以泥岩为主，但底层另含有少量的泥质白云岩。由于盐岩具有遇水溶解的特点，为尽可能减小试件加工扰动对盐岩结构强度的影响，采用手工打磨的方法对盐岩试件进行加工。试样为直径50mm、高径比2:1的圆柱形标准试件。参照《水利水电岩石试验规程》（SL264-2001）有关条款，试样高径比、两端

8、面的不平整度及端面应垂直于试件轴线允许偏差分别满足&