石油是国家的能源命脉。截止到2018年,我国石油对外依存度逼近70%,石油储备量严重不足,石油安全面临严峻考验,我国亟需建立大规模战略石油储备体系。地下盐穴储油库具有安全、稳定、规模大、经济和高效等突出优势,是发达国家石油储备的主要方式。目前,我国尚未有建造地下盐穴储油库的工程实践,在地下盐穴储油领域远远落后于发达国家,亟需开展相关基础试验及理论研究。与国外用于建库的海相沉积巨厚盐层或盐丘构造条件不同,我国盐矿多属于湖相沉积层状构造,地质赋存特征复杂。尤其是,含盐系地层中含有众多非盐夹层,这些夹层的渗透及力学特性,对盐穴储油库长期运行安全具有重要影响,而夹层在原油、卤水侵蚀下的力学及渗透特征演化规律及机制尚不明确。因此,开展层状盐岩储油库围岩渗透、力学特性研究及储库安全分析,对于推动我国大规模盐穴储油库建设具有重要意义。本文针对国家战略石油储备候选基地——江苏金坛盐矿,开展储油库先导性试验研究,构建了盐穴储油库选址及建设宏观适宜性层次结构评价体系,评价了金坛盐矿储油库建设的宏观适宜性;在满足宏观适宜性的基础上,进一步研究了拟建储油库围岩在不同环境下的微观孔隙结构特征,并重点针对夹层在油水侵蚀下的渗透特性及力学特性展开研究;最后结合理论和试验研究成果,借助数值仿真手段,对储油库长期运行安全性进行综合分析。主要研究成果如下:(1)构建了盐穴储油库选址及建设宏观适宜性层次结构评价体系:基于层次分析理论(AHP)提出了普适于不同盐岩构造区域储油库选址建设的宏观适宜性评价方法;针对金坛盐矿的工程地质特征及盐岩赋存情况对该区域储油库建设宏观适宜性进行了评估。结果表明:金坛盐矿储油库建设适宜度P=8.6898,属于“适宜库址”级别,可以作为盐穴储油库的优选库址。(2)揭示了盐穴储油库围岩的微观孔隙结构特征:通过XRD、SEM试验分析了储库围岩的微观物理特征;通过对不同条件下围岩吸附等温线特征的研究揭示了储库围岩的孔结构形态特征,并发现水-岩作用及油-岩作用导致的围岩孔隙结构变化不能改变孔隙的基础结构形态;通过BJH法与压汞法的结合,实现了对不同条件下盐穴储油库围岩全孔径分布特征的研究。(3)探明了盐穴储油库围岩孔渗特性和存储介质(原油、卤水)在夹层及盖层中的渗流规律:对不同静水压力下围岩孔渗特性进行研究,发现围岩的孔隙度及渗透率近似等于围岩所受地应力最大时所测得的孔渗值,与腔体内部应力变化无关;对夹层及盖层在油水侵蚀后的孔渗特性进行研究,发现原油侵蚀下试样的孔隙度及渗透率随侵蚀时间增加而降低,卤水的侵蚀下的试样孔隙度及渗透率将显著增大;基于单相液体稳定渗流理论,建立了夹层、盖层液体渗流模型,推导了表征液体在夹层及盖层中压力分布、渗流速度、泄露量的基本方程。(4)揭示了油水侵蚀环境下夹层力学损伤演化规律及其劣化机制:通过单轴、三轴压缩试验对油水侵蚀后的夹层试样力学特性进行了研究,分析了夹层在水-岩作用、油-岩作用下的损伤演化规律,探讨了超静孔隙流体压力对夹层力学强度的影响;通过原油侵蚀下的TAN检测及卤水侵蚀下的PH检测分析了油-岩作用及水-岩作用对夹层的劣化机制;发现了夹层在原油侵蚀下损伤增大,但渗透率却减小这一反常特性并揭示了造成这一现象的原因,即原油中的胶质、沥青质对岩石孔隙的附着及封堵作用。(5)评价了盐穴储油库长期运行安全:通过腔壁位移变形、腔周塑性区变化及腔体体积收缩率等评价指标,对金坛拟建储油库腔体稳定性进行分析;综合腔体失稳风险因素及地面设备安全风险及成本因素,得出储油库最优初始井口压力P_w为6 MPa;通过渗流范围、孔隙压力变化、渗漏量等评价指标对储油库密闭性分析,并与盐穴储气库的渗流计算结果进行了对比。(6)验证了极限矿柱间距下盐穴储油库可以同时满足稳定性及密闭性要求。这意味着在有限区域可以建设更多的储油库群,显著提高盐岩资源的利用率及石油储备量,大幅降低储油成本,同时这也给大量达不到储气库安全间距要求的废弃盐矿提供了尝试改建盐穴储油库的新思路。