鹵水腐蝕環(huán)境下石膏夾層靜態(tài)斷裂與蠕變斷裂力學(xué)特性實驗研究.pdf

1、鹽巖礦床作為石油天然氣儲存的理想介質(zhì)已被廣泛應(yīng)用，主要是由于鹽巖滲透率低、水文地質(zhì)簡單、分布廣以及具有損傷自愈合的特性。但與國外巨厚鹽丘相比，我國鹽巖礦床屬于層狀巖層，典型特征是單層厚度薄、埋藏深，而且鹽巖體中一般含有如泥巖、石膏、鈣芒硝等眾多夾層。其中石膏夾層廣泛分布在云應(yīng)、平頂山等鹽巖礦床之中。夾層的存在會對儲庫建腔過程和運行過程產(chǎn)生諸多不利的影響，并帶來一系列的風(fēng)險和隱患。為揭示這一內(nèi)在影響規(guī)律特征，本論文釆用實驗研究方法，對石膏

2、夾層在不同鹵水腐蝕環(huán)境下的細觀結(jié)構(gòu)演化、弱化機理、靜態(tài)斷裂以及蠕變斷裂力學(xué)特性進行了研究。此外在實驗的基礎(chǔ)上，采用理論分析與數(shù)值仿真的方法對石膏夾層的周期垮塌步距和儲庫圍巖蠕變損傷演化進行了分析和探討。主要內(nèi)容如下：
　　通過對不同濃度，不同溫度鹵水浸泡后的石膏夾層進行SEM實驗、MCT實驗、壓痕試驗和析因設(shè)計方差分析，揭示了其在不同腐蝕條件下的細觀結(jié)構(gòu)演化特征，得出石膏夾層的弱化機理是由于水和溫度的耦合作用，而氯離子的作用較弱。

3、然后根據(jù)實驗結(jié)果提出石膏夾層在鹵水腐蝕環(huán)境下的損傷演化模型，并將模型嵌入到PFC中進行了參數(shù)標定。
　　通過對鹵水浸泡后的石膏夾層進行單軸斷裂韌度實驗，得出該值隨著鹵水溫度的升高逐漸降低，而隨著鹵水濃度的升高，該值變化不明顯。然后根據(jù)實驗結(jié)果得出試件在不同環(huán)境下的斷裂包絡(luò)線，并與傳統(tǒng)斷裂包絡(luò)線進行了對比。為了對試件的開裂角和斷裂軌跡進行預(yù)測，通過MATLAB自編擴展有限元程序并采用相互作用積分，計算得出了CSTBD型試件的I型、I

4、I型無量綱應(yīng)力強度因子和T應(yīng)力無量綱應(yīng)力強度因子。然后以MMTS斷裂準則為基準并根據(jù)MATLAB計算結(jié)果，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法反演得出試件在不同腐蝕條件下的FPZ值。結(jié)果顯示FPZ與鹵水溫度緊密相關(guān)，當(dāng)選取合適的數(shù)值時，MMTS準則預(yù)測斷裂包絡(luò)線與鹵水浸泡后的試件斷裂包絡(luò)線高度一致。
　　通過對鹵水浸泡后的石膏試件進行三軸斷裂實驗，得出斷裂韌度與圍壓緊密相連，同時揭示了圍壓可以改變試件的斷裂方式，隨著圍壓的升高，試件逐漸從脆性斷裂向延性

5、斷裂轉(zhuǎn)化。然后對試件變形曲線和斷口形貌進行了分析，得出隨著圍壓的增大，試件的脆性指數(shù)逐漸增大，剩余能逐漸減小。當(dāng)圍壓為1 MPa和3 MPa時，試件表現(xiàn)為穿晶斷裂，斷裂方式主要為脆性斷裂；當(dāng)圍壓為5 MPa和7 MPa時，試件表現(xiàn)為沿晶斷裂，斷裂方式主要為延性斷裂。然后以MMTS準則為基準并根據(jù)MATLAB計算結(jié)果，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法反演得出石膏試件在不同圍壓下的FPZ值。結(jié)果表明該值與圍壓大小緊密相關(guān)，當(dāng)選取合適數(shù)值時，MMTS準則預(yù)測斷

6、裂包絡(luò)線與不同圍壓下的試件斷裂包絡(luò)線高度一致。
　　通過對Charles細觀應(yīng)力腐蝕模型進行修正，建立了考慮剪切力的細觀蠕變斷裂本構(gòu)模型。該模型同時考慮了不同混合度的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力對蠕變斷裂和裂縫擴展速率的影響。然后通過對石膏試件進行實時蠕變斷裂實驗，揭示了蠕變斷裂的三個過程，得出試件在不同載荷下的起裂時間、穩(wěn)定階段裂縫擴展速率和加速階段裂縫擴展速率并對模型進行了參數(shù)標定。然后將修正后細觀蠕變斷裂本構(gòu)模型嵌入到 PFC軟件中，進行