盐岩流变细观机制及本构模型研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文盐岩流变细观机制及本构模型研究学院：力学与建筑工程学院学号：TBP110601002作者：丁靖洋学科专业：岩土工程导师：周宏伟2015年6月中图分类号：TU45Uf密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：盐岩流变细观机制及本构模型研究英文题目：ResearchonMicromechanismsofRocksaltRheologyandConstitutiveEquations作者：丁靖洋学号：TBP11

2、0601002学科专业：岩土工程研究方向：岩石流变学导师：周宏伟职称：教授论文提交日期：2015年4月16日论文答辩日期：2015年6月7日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要作为地质构造中重要的组成部分，“盐构造”对于油藏工程具有十分重要的影响作用，其地质特征与含盐盆地的长期演化密切相关，而后者已被证明为碳氢化合物的有效赋存场所，盐岩本身的特点也决定了其是含油气盆地最有效的盖层。此外，盐岩具有渗透率低、孔隙率低、力学性能稳定等特点，被国际社会公认为石油、天然气、高放射性核废料地下存

3、储的理想介质。因此针对盐岩长期流变力学行为的研究，对于油藏工程、地下储库工程具有十分重要的指导意义。盐岩流变过程中，无论蠕变或者应力松弛，其内部细观结构的变化，往往伴随着宏观曲线形式的非线性特征；同时受各种因素的影响，如温度、应变率、应力水平、含水量等，流变应变率主导机制可能随之发生转化；另外，受限于实际条件，室内实验获得的数据、图像能否真实描述长期地质条件下的盐岩流变过程，这对于实验室尺度数据外推、建立合理的本构模型格外重要。本文在归纳总结国内外针对盐岩流变特征研究的基础上，采用数据收集、室内实验、切片

4、观测等手段详细描述了20-200℃条件下，盐岩发生的三种流变过程，即位错蠕变、压溶、膨胀变形，以及各自典型的细观结构特征、细观变形机制；同时借助于分数阶微积分理论及损伤理论，以分数阶求导阶次及损伤变量为纽带，建立了一种新的本构模型，并对盐岩流变全过程曲线进行了数据拟合。主要研究内容如下：1、研究三种流变过程的典型细观特征、流变机制在特定条件下的相互竞争及转化：位错蠕变、压溶、膨胀变形的典型细观结构分别为亚晶粒及波状滑移线、晶界压痕/截断/生长、微裂隙发育，其中晶界水能有效促进晶粒边界迁移及压溶过程，其实质

5、为晶界物质的溶解—转移—沉淀过程，内在驱动力为化学势差，而应力水平是盐岩流变能否发生膨胀变形的最主要影响因素；位错蠕变过程中伴随有应变硬化及恢复作用之间的相互竞争，并导致了盐岩蠕变三阶段曲线特征的差异性，当硬化与恢复达到平衡态时，稳态阶段随之而来，若同时考虑晶界水对蠕变的影响，定义恢复+晶粒边界迁移为软化作用，则应变硬化及软化作用的竞争将可能引起准稳态阶段曲线的波状起伏；受温度、应力、应变率、晶界水的影响，盐岩流变过程中将会发生应变率主导机制的转化：位错交叉滑移在较高应力及应变率条件下将成为稳态蠕变阶段的

6、主导机制，而在较低应力及应变率情况下流变控制机制将变为位错攀移；对于潮湿细晶粒盐岩，压溶对于流变过程的影响将更加重要，而随着晶粒尺寸增大，位错蠕变对于应变率的主导作用将逐渐明显。2、借助于浸蚀、γ射线染色技术，分析了取自荷兰亨厄洛（Hengelo）、伊朗I库姆丹山（QumKuh）两种天然盐岩的细观结构图，二者地质成因不同，造成了细观形貌的差异性：亨厄洛盐岩的成因可以借助于盐田模型解释，其中富含流体包裹物的“不纯洁盐岩”形成时期较早，而“纯净盐岩”中的亚晶粒、晶界迁移特征则形成于后期变形过程中；库姆丹山盐岩

7、的核心处为残碎斑晶，形成时期早于不含亚结构的新生长晶粒，这些细观结构均表明，天然盐岩在长期地质过程中，动态重结晶、压溶对流变主导机制产生重要影响，而晶界水对上述过程具有明显的促进作用，晶粒边界通过迁移蚕食掉旧晶粒，并将晶内流体包裹物集中至新晶界，且在新晶粒边界处可观测到明显的压痕、截断、过度生长等细观特征。通过计算两种盐岩的晶粒、亚晶粒尺寸，得出库姆丹山盐岩的细粒化程度更显著，其在地质过程中所承受的偏应力值更大，这与其地质成因有关；进一步计算获得了二者的稳态蠕变率，库姆丹山盐岩中，压溶引起的应变率对于总蠕

8、变率的影响更加显著，表明在潮湿细晶粒盐岩中，压溶过程为流变主导机制。3、对比分析了潮湿、干燥合成盐岩蠕变宏观实验曲线、细观结构特征的差异性，重点关注了水作用下的动态重结晶及压溶特征：在化学势差驱动下，潮湿合成盐岩晶界形状不规则，具有明显的晶粒边界迁移、压溶细观结构，其本质为晶界的相互接触、物质溶解及转移重结晶过程，晶内含有无亚结构的重结晶新晶粒，而干燥合成盐岩晶界平直，内部含有大量亚晶粒、波状滑移线；在软化作用影响下，潮湿合成