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盐岩具有非常低的渗透特性与良好的蠕变行为,能够保证油(气)储存硐库的密封性;其力学性能较为稳定能够适应储存压力的变化;其溶解于水的特性使盐岩硐库的施工开挖更加容易和经济。因此盐岩构造已被国际上公认为石油、天然气储备和高放射性废物处置的理想场所。本论文针对我国盐矿多为含有众多夹层的层状盐岩体的地质构造特征,在层状盐岩变形破损及时效特性试验与理论研究的基础上,开发了层状盐岩体复合本构数值模型,该模型能充分考虑夹层的存在对层状盐岩变形、破坏及流变特性等的影响;分析了夹层几何分布特征、夹层相对力学特性、硐室埋深及几何形状和尺寸、储库运行参数等对硐室长期运行稳定性的影响;最后以湖北云应盐矿拟建油(气)储库溶腔为示范工程,对泥质硬石膏夹层对层状盐岩体中能源储库稳定性与密封性的影响进行了分析。主要包括以下几个方面的研究工作:
1.层状盐岩体的短期强度特性研究与时效特性研究。首先对纯泥岩夹层,纯盐岩,含夹层盐岩三种试样进行单轴、三轴压缩试验,剪切试验,并对含夹层盐岩试样的夹层与盐岩的交界层面处进行了微观分析。然后对三种试样进行了单轴和三轴压缩蠕变试验研究,根据试验结果分析了夹层对层状盐岩的蠕变特性的影响,在前人研究基础上建立了稳态蠕变率本构关系,并对其参数进行了拟合回归。
2.层状盐岩体Cosserat扩展介质渐进破坏本构及其程序实现。首先阐述了层状盐岩体Cosserat介质扩展本构关系,并且通过试验以及层状岩体计算机模拟的方法验证了所得出的层状岩体复合体本构的宏观弹性特性;其次对层状岩体在单轴、三轴作用下的破坏机理进行了分析;最后通过VC++6.0编制了层状盐岩体Cossserat介质扩展渐进破坏弹塑性本构以及粘弹塑性渐进破坏本构的FLAC3D接口程序,并且通过算例验证了接口程序的正确性与有效性。
3.通过数值模拟方法分析了泥岩夹层含量、泥岩夹层与盐岩的刚度比对层状盐岩体中能源储存库的稳定性的影响,并且对层状盐岩体能源储库的运行内压、高径比、上覆层厚度等进行了分析,最后对层状盐岩体的整体稳定性进行了分析计算。
4.以湖北云应盐矿拟建储库为工程范例,详细论证了湖北云应盐矿能源地下储备的可行性。分析了该盐矿拟建能源储库造腔后的稳定性,预测了各种内压作用下长期运营的体积收缩,并且对套管鞋高度,最小安全矿柱宽度等进行了分析。