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盐岩的温度效应及细观机理研究

陈剑文  
【摘要】: 温度对盐岩的力学性质影响研究是分析、评价盐岩地层中的天然气储备、压气蓄能以及核废料处置等硐室的安全、稳定性基础。虽然前人,尤其是国外对此进行了大量的实验,但主要是围绕稳态蠕变速率而开展,至于温度对盐岩的损伤、屈服以及塑性变形的影响并没有详细、深入研究。此外,储气库运行过程中的热工分析是进行储气库管理以及稳定性分析的基础,对此目前也没有很好的分析方法。针对这些问题,本文结合实验研究、细观机理分析以及数值模拟等方法对上述问题进行了分析、研究,主要包括如下几个方面: (1)采用超声波技术和频谱分析理论,研究了盐岩在升温过程和温度循环过程中的超声波波速、动弹性参数变化规律,以及热损伤随温度和循环次数、温度幅值的演化规律。 (2)在分析盐岩热损伤机理的基础上,通过数值模拟研究了盐岩的杨氏模量和线性膨胀系数以及材料的不均匀性(形状参数m )对热损伤的影响规律。 (3)通过应城盐岩在不同温度、围压下的三轴压缩实验,获得了应城盐岩的压缩-扩容边界,提出了适合性更强的压缩-扩容边界表达式。根据压缩-扩容边界带理论,提出采用压缩-扩容接近度来分析盐岩储气库的密闭性,给出了盐岩压缩-扩容接近度的定义、表达式,并对金坛设计溶腔进行了密闭性分析。 (4)根据实验结果,拟合了应城盐岩在不同温度下的剪切屈服面。从细观角度分析了盐岩屈服应力的组成部分,给出了屈服应力的表达式,并分析了温度对盐岩屈服应力的影响规律。 (5)借鉴固体位错理论,建立了基于细观变形机理(位错和亚晶化)的盐岩塑性本构方程,通过实验验证,该模型是合理的。基于本文所提模型,分析了温度对盐岩塑性变形的影响规律和机理。 (6)基于变质量热力学理论和前人的研究成果,给出了可以考虑三维任意溶腔形状和围岩温度场的盐岩储气库热工计算模型及其求解方法,并对金坛设计储气库进行了单腔注、采气过程的热工计算。


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