根据预测分析,到2015年我国石油和天然气供需缺口将分别达到2.0亿吨和500亿立方米,2020年将分别达到2.7亿吨和800亿立方米以上。中国目前已经成为世界上第二大石油消费国,也是目前世界上第二大石油进口国。尽快建立我国地下油气储备体系,对于保障油气资源安全和稳定供应,保障国民经济可持续稳定发展都具有十分重要的意义。石油的战略储备关系到国家的能源安全,而天然气的安全供气不仅关系到能源供给安全,还关系到中国千万个家庭的日常生活。因此进行石油天然气的战略储备势在必行。而我国盐矿床分布具有单层厚度薄(60～100m)、软弱夹层多的地质特点,夹层的存在使盐岩矿床油气储库建造的难度和复杂程度有所增大,同时夹层使油气储库的建造过程和运行的稳定性方面有很大影响。本文以在层状盐岩矿床中以水溶建腔方式建造油气储库为背景,通过实验研究、理论分析、数值模拟的方法,对石膏夹层在不同温度和浓度盐溶液浸泡作用下的力学特性进行了深入研究,在此基础上模拟计算了石膏夹层初次断裂步距,并进行了流体相似模拟实验和数值模拟,通过一系列的实验研究和模拟计算,建立了与实际基本一致的夹层附近建腔过程模型并进行了模拟解算。主要研究内容及结果如下：(1)反复加卸载作用下,石膏干试件的强度由单调加载条件下的14.6MPa降至12.3MPa,降幅15.8%；峰值强度所对应轴向应变从0.39%降为0.19%,降幅高达51%。反复加卸载使得石膏的强度与变形均有所降低,但弹性模量基本不变。在常温盐溶液浸泡20天后,石膏的强度并未显著降低,但变形能力增强。在浅埋深层状盐岩矿床油气储库建造及运营过程中,当石膏夹层厚度较大时,应当考虑这一力学特性变化的影响。(2)石膏强度随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,呈降低弱化趋势,在温度为70℃饱和盐溶液中浸泡60天后,石膏单轴抗压强度弱化系数竟达到0.1。弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40℃半饱和溶液中的5.92GPa降至70℃饱和溶液中的0.21GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40℃环境下从0.66～0.64MPa,降至70℃环境下的0.47-0.27MPa。在70℃饱和盐溶液中浸泡60d之后,石膏C-M剪切强度拟合方程τ=0.4+σ·tan38.9,而相同条件下浸泡30、80d之后的剪切强度拟合线性方程,分别为τ=1.24+σ·tan41.3,τ=0.65+σ·tan39.3°。随浸泡时间的延长,石膏的内聚力与内摩擦角均呈降低趋势。(3)为进一步准确区分石膏在不同条件下的破坏方式及其差异,参考岩爆倾向性判断依据,定义一个岩石脆性指标——破坏刚度,近似为岩石单轴压缩应力应变曲线峰后破坏段斜率。根据实测结果计算,在干燥、40℃半饱和到70℃饱和溶液几种条件下,石膏的破坏刚度分别为704.4、690.1、218.9、255.2、19.5GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。(4)在盐矿开采或储库建造过程中,由于长时间在一定温度和浓度的盐溶液中浸泡,石膏夹层会发生体积膨胀、质量增加、强度弱化等多重物理化学作用,夹层破坏垮落将不会对腔体及其管柱安全造成威胁。在储库运营过程中,夹层发生物理结构变化的范围有限,在周围地质条件稳定的前提下,不会发生油气泄露,可以保证油气储库的致密安全。(5)通过对不同盐溶液浸泡后的石膏夹层力学特性和对建腔过程的影响,建立其断裂数学模型,并通过FLAC3D软件进行了数值计算,其中未浸泡情况下2.0m厚石膏夹层断裂步距约为2.6m、70℃饱和盐溶液浸泡60天的石膏夹层断裂步距减小至0.5m；(6)基于相似模拟实验结果,建立了流体运移数值模拟模型,通过分析不同管路位置和夹层开孔直径共13个模型的数值模拟结果,得出开孔直径0.5(实际10m)情况下,管路均位于夹层下反循环和管路均位于夹层上正循环对腔壁附近的扰动最大；开孔直径1.0(实际20m)情况下,管路均位于夹层上反循环对夹层上下表面及腔壁附近的扰动达到峰值；开孔直径1.5(实际30m)情况下,管路均位于夹层下反循环对夹层上下表面及腔壁附近的扰动最大。(7)根据相似模拟和数值模拟的结果,大致将夹层附近的建腔过程划分为四个阶段。第一阶段从腔体拱顶距离夹层3-5m到夹层初次断裂和二次断裂,此阶段为避免夹层断裂对管路的影响,将管路提至夹层以上进行建腔；第二阶段夹层中间开孔直径由10m增至15m,采用中心管和中间管均位于夹层下正循环建腔；第三阶段夹层中间开孔直径由15m增至25m,采用中心管和中间管均位于夹层上反循环建腔；第四阶段夹层中间开孔直径增至25m以上,采用中心管和中间管均位于夹层下反循环建腔。(8)根据国内某盐矿地质资料,建立与现场基本一致的数值模拟模型,模拟夹层初次断裂和二次断裂的时间及其腔体形状。经模拟计算可知,石膏夹层初次断裂时间为第12天,断裂长度为2.6m,夹层中间开孔直径5.8m；二次断裂时间为第22天,断裂长度2.5m,夹层中间开孔直径达到10.8m,从而避免了夹层断裂对管路可能造成的的挤压和损坏。