盐岩的温度效应及细观机理研究

论文摘要

温度对盐岩的力学性质影响研究是分析、评价盐岩地层中的天然气储备、压气蓄能以及核废料处置等硐室的安全、稳定性基础。虽然前人,尤其是国外对此进行了大量的实验,但主要是围绕稳态蠕变速率而开展,至于温度对盐岩的损伤、屈服以及塑性变形的影响并没有详细、深入研究。此外,储气库运行过程中的热工分析是进行储气库管理以及稳定性分析的基础,对此目前也没有很好的分析方法。针对这些问题,本文结合实验研究、细观机理分析以及数值模拟等方法对上述问题进行了分析、研究,主要包括如下几个方面:（1）采用超声波技术和频谱分析理论,研究了盐岩在升温过程和温度循环过程中的超声波波速、动弹性参数变化规律,以及热损伤随温度和循环次数、温度幅值的演化规律。（2）在分析盐岩热损伤机理的基础上,通过数值模拟研究了盐岩的杨氏模量和线性膨胀系数以及材料的不均匀性（形状参数m ）对热损伤的影响规律。（3）通过应城盐岩在不同温度、围压下的三轴压缩实验,获得了应城盐岩的压缩-扩容边界,提出了适合性更强的压缩-扩容边界表达式。根据压缩-扩容边界带理论,提出采用压缩-扩容接近度来分析盐岩储气库的密闭性,给出了盐岩压缩-扩容接近度的定义、表达式,并对金坛设计溶腔进行了密闭性分析。（4）根据实验结果,拟合了应城盐岩在不同温度下的剪切屈服面。从细观角度分析了盐岩屈服应力的组成部分,给出了屈服应力的表达式,并分析了温度对盐岩屈服应力的影响规律。（5）借鉴固体位错理论,建立了基于细观变形机理（位错和亚晶化）的盐岩塑性本构方程,通过实验验证,该模型是合理的。基于本文所提模型,分析了温度对盐岩塑性变形的影响规律和机理。（6）基于变质量热力学理论和前人的研究成果,给出了可以考虑三维任意溶腔形状和围岩温度场的盐岩储气库热工计算模型及其求解方法,并对金坛设计储气库进行了单腔注、采气过程的热工计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据和研究意义
• 1.1.1 盐岩层中的能源储备
• 1.1.2 盐岩层中（核）废料处置
• 1.1.3 盐岩层中的压气蓄能（CAES）
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 温度对（盐）岩的力学影响研究
• 1.2.2 盐岩变形机理研究
• 1.2.3 基于细观层次的盐岩本构研究
• 1.3 本文主要研究工方法和内容
• 1.4 本文主要贡献
• 1.5 本章小结
• 第二章 盐岩热损伤研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备、试样及实验原理
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 试样准备
• 2.2.3 实验基本原理
• 2.3 盐岩升温过程热损伤研究
• 2.3.1 实验简介
• 2.3.2 实验结果
• 2.3.3 实验分析
• 2.3.4 升温过程中热损伤分析
• 2.4 盐岩温度循环过程损伤研究
• 2.4.1 试样WTS01、WTS02 实验结果（52-20℃）
• 2.4.2 试样WTS01、WTS02 实验结果（72-22℃）
• 2.4.3 试样WTS-01、WTS-02 实验结果（72-22℃）
• 2.4.4 温度循环下热损伤分析
• 2.5 盐岩升温过程中的频谱分析
• 2.5.1 试验数据分析
• 2.5.2 结果讨论
• 2.6 温度循环过程中的频谱分析
• 2.6.1 实验数据分析
• 2.6.2 结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 盐岩热损伤的机理研究
• 3.1 盐岩热损伤的机理探讨
• 3.2 热-力耦合方程
• 3.3 随机数的生成方法
• 3.3.1 Weibull 分布函数的性质
• 3.3.2 服从Weibull 分布的随机数生成
• 3.4 盐岩热损伤的影响因素分析
• 3.4.1 盐岩的物理参数
• 3.4.2 Weibull 分布参数的确定
• 3.4.3 模型的建立以及边界条件
• 3.5 数值模拟结果分析
• 3.5.1 弹性模量和线膨胀系数对热损伤的影响
• 3.5.2 不均匀系数对热损伤演化的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 温度对盐岩的压缩-扩容边界带的影响研究
• 4.1 盐岩压缩-扩容边界理论
• 4.2 应城盐岩常温下的压缩-扩容边界
• 4.3 不同温度下的应城盐岩压缩-扩容边界带
• 4.4 基于盐岩压缩-扩容理论的储气库密闭性分析
• 4.4.1 盐岩压缩-扩容边界的主应力空间表达
• 4.4.2 扩容接近度及其定义
• 4.4.3 扩容接近度的定义
• 4.4.4 扩容接近度的再讨论
• 4.4.5 算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 温度对盐岩屈服的影响研究
• 5.1 试样特征及试验设备
• 5.1.1 试样特征
• 5.1.2 试验设备
• 5.1.3 试验方法
• 5.2 盐岩压缩变形分析
• 5.3 盐岩剪切屈服面的确定
• 5.3.1 屈服面定义
• 5.3.2 盐岩常温下剪切屈服面的确定
• 5.3.3 温度对屈服面影响
• 5.4 盐岩屈服应力的理论分析
• 5.4.1 位错运动阻力
• 5.4.2 屈服应力的计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于细观变形理论的盐岩本构研究
• 6.1 盐岩变形机理概述
• 6.1.1 晶体中的点缺陷
• 6.1.2 晶体中的线缺陷（位错）
• 6.1.3 盐岩变形过程中的亚晶化
• 6.1.4 盐岩的碎裂流动
• 6.2 基于固体位错理论的盐岩本构建立
• 6.2.1 本构方程的建立
• 6.2.2 本构方程的讨论及求解
• 6.2.3 模型算例分析
• 6.3 温度对盐岩塑性变形的影响分析
• 6.3.1 盐岩高温变形的细观机理分析
• 6.3.2 不同温度下盐岩塑性变形数值模拟
• 6.4 本章结论
• 第七章 盐岩储气库热工计算研究
• 7.1 引言
• 7.2 数学模型建立
• 7.2.1 质量方程
• 7.2.2 能量方程
• 7.2.3 热量计算方程
• 7.2.4 井筒流动方程
• 7.2.5 井筒两端压力和温度的关系
• 7.3 数学模型求解讨论
• 7.3.1 井筒气体流动方程求解
• 7.3.2 热交换量的计算
• 7.4 模型求解
• 3D 简介'>7.4.1 FLAC^3D简介
• 7.4.2 模型假设及求解流程
• 7.4.3 模型及其边界
• 7.4.4 计算参数
• 7.5 计算结果及分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 主要结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文和参加科研工作
• 致谢