层状盐岩变形机理及非线性蠕变本构模型

论文摘要

由于盐岩具有良好的密封性、低渗透性、良好的蠕变行为和损伤自愈合性,使得盐岩构造已被国际上公认为石油、天然气储存和高放射性废物处置的理想场所。我国层状盐岩的基本赋存特点是“盐岩层数多,单层厚度薄,盐岩体中一般含有众多夹层(如泥岩层等)的独有特点”,在这种层状盐岩中实施能源储存与国外成熟的盐岩储存技术相比,将更具复杂性。本论文针对层状盐岩体当前广泛关心的差异变形问题和层状两相复合不均匀介质问题,结合湖北省盐岩层的沉积特点,对层状盐岩力学特性,变形机理,本构模型及储库运营中的长期稳定性问题进行研究,主要开展了以下几个方面的工作:1.层状盐岩力学特性试验研究:通过对湖北云应盐矿盐岩层,泥岩夹层开展单三轴压缩实验、单三轴蠕变实验,获得了其相应的力学参数,将湖北云应与江苏金坛等地盐岩单三轴压缩应力应变全过程特征、强度特征和蠕变力学特性对比分析;将湖北云应含硬石膏夹层与江苏金坛含软泥岩夹层成分,分布和蠕变力学特性进行对比;对层状盐岩界面进行微观分析和对界面的作用进行分析。2.层状盐岩因弹性参数不匹配产生的变形问题进行研究:借助于数值试验方法对含泥岩夹层层状盐岩体力学和变形性质进行ABAQUS有限元分析,在考虑盐岩层中含不同厚度夹层和不同力学参数夹层时,研究层状盐岩在单三轴压缩条件下因弹性参数不匹配产生的细观应力和位移场,研究应力集中问题和差异变形机理。3.层状盐岩因蠕变率不匹配产生的变形问题进行研究:用有限元方法对不同夹层含量层状盐岩在单轴压缩和低围压三轴压缩下蠕变力学响应进行计算,分析在蠕变过程中层状盐岩界面处的应力松弛,应力重分布和应变变化规律,研究层状盐岩中盐岩层和夹层在蠕变过程中相互作用规律和非线性蠕变性质,进而研究不同泥岩夹层含量对层状盐岩蠕变力学特性的影响。4.建立层状盐岩体各向异性非线性蠕变增量型本构模型:运用细观力学分析方法和应变协调原理,通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性性质及蠕变力学特性和各相相对体积含量推导建立了层状盐岩体各向异性非线性蠕变增量型本构模型,运用有限元增量迭代算法和FORTRAN语言将建立的本构模型编写成子程序嵌入ABAQUS软件中进行二次开发,并对本构模型进行试验验证和讨论。5.层状盐岩溶腔长期稳定性分析:运用上述建立的层状盐岩体各向异性非线性蠕变本构模型对湖北云应盐矿拟建储油库、储气库进行长期稳定性分析,分析层状盐岩溶腔在在不同运行压力和不同流变年限下储库腔周变形规律和应力分布特征、以及位移分布规律,对层状盐岩溶腔储库的建造和运营提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 盐岩力学特性及溶腔稳定性分析研究简述
• 1.3 层状岩体力学特性国内外研究现状
• 1.3.1 层状岩体力学特性试验研究
• 1.3.2 层状岩体力学特性理论研究
• 1.3.3 层状盐岩溶腔建设
• 1.3.4 层状盐岩研究当前存在的主要问题
• 1.4 本文研究的意义
• 1.5 主要研究方法和研究内容
• 1.5.1 主要研究方法
• 1.5.2 本文的研究内容
• 第二章 盐岩及泥岩夹层力学特性试验研究
• 2.1 概况
• 2.2 试验研究内容
• 2.3 湖北云应盐岩和夹层单三轴应力应变曲线全过程特征和强度特性分析
• 2.4 湖北云应与江苏金坛等地盐岩及夹层单三轴压缩应力应变全过程特征和强度特征对比分析
• 2.4.1 围压对盐岩应力应变全过程特征的影响对比分析
• 2.4.2 盐岩的强度特征值统计
• 2.4.3 夹层的强度特征值统计
• 2.5 湖北云应地区盐岩与夹层蠕变力学特性分析
• 2.6 湖北云应与江苏金坛等地盐岩蠕变力学特性对比分析
• 2.7 湖北云应含硬石膏夹层与江苏金坛含软泥岩夹层成分,分布和蠕变力学特性对比分析
• 2.7.1 夹层成分
• 2.7.2 夹层分布状况
• 2.7.3 夹层蠕变力学特性
• 2.8 层状盐岩界面微观分析和界面的作用分析
• 2.9 本章小结
• 第三章 层状盐岩力学和变形特性数值试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 层状岩体的各向异性理论
• 3.3 层状盐岩宏观等效弹性力学参数确定数值试验研究
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 等效弹性模量与泊松比的确定
• 3.3.3 计算结果
• 3.4 层状复合盐岩体因弹性参数不匹配引起的差异变形机理研究
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 层状盐岩体细观应力场和位移场有限元分析
• 3.5 第一类层状盐岩模型分析
• 3.5.1 单轴压缩模拟结果分析
• 3.5.2 三轴压缩模拟结果分析
• 3.6 第二类层状盐岩模型分析
• 3.6.1 单轴压缩模拟结果分析
• 3.6.2 三轴压缩模拟结果分析
• 3.7 对层状盐岩圆柱型试样的单轴压缩模拟结果分析
• 3.8 层状盐岩加载破坏机理分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 层状盐岩中蠕变变形相互作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 两相或多相复合蠕变相互作用问题研究简述
• 4.3 有限元模型建立和计算工况
• 4.4 单轴压缩下层状盐岩蠕变过程分析
• 4.4.1 因蠕变率不匹配导致应力重分布问题
• 4.4.2 因蠕变率不匹配对层状盐岩蠕变效应的影响
• 4.5 三轴荷载下层状盐岩蠕变分析
• 4.5.1 对三轴加载第一种模型的分析
• 4.5.2 对三轴加载第二种模型的分析
• 4.6 有关问题的进一步讨论
• 4.7 本章小结
• 第五章 层状盐岩体非线性蠕变本构模型
• 5.1 概述
• 5.2 层状盐岩体非线性蠕变本构模型
• 5.2.1 层状盐岩体细观力学非线性蠕变模型基本框架
• 5.2.2 泥岩夹层与盐岩层本构模型建立
• 5.3 层状盐岩体非线性蠕变本构方程具体推导过程
• 5.4 层状盐岩体各向异性非线性蠕变本构模型增量形式
• 5.5 固体蠕变的有限元分析方法基本理论
• 5.5.1 弹性域中的有限元分析
• 5.5.2 含蠕变应变的有限元分析
• 5.5.3 非线性问题的增量迭代解法
• 5.5.4 蠕变分析显式算法
• 5.6 ABAQUS有限元计算基本原理
• 5.6.1 有限元软件介绍
• 5.6.2 UMAT子程序设计
• 5.7 本文本构模型二次开发增量迭代算法主要实现步骤
• 5.8 试验验证与讨论
• 5.9 本章小结
• 第六章 湖北云应层状盐岩溶腔长期稳定性分析
• 6.1 概述
• 6.2 建造盐岩溶腔型储库的基本地质条件
• 6.2.1 有利地质条件分析
• 6.2.2 不利条件及可能出现的问题分析
• 6.3 拟建层状盐岩储油库长期稳定性分析
• 6.3.1 计算模型和计算参数
• 6.3.2 计算工况
• 6.3.3 计算结果与分析
• 6.4 拟建层状盐岩储气库长期稳定性分析
• 6.4.1 计算模型和计算参数
• 6.4.2 计算工况
• 6.4.3 计算结果与分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 读博士期间科研成果统计
• 致谢