三軸應(yīng)力作用下鹽巖溶解機(jī)理及溶蝕方程實驗研究.pdf

1、石油和天然氣是二十一世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈,能源儲備已成為確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略預(yù)案重要保障,鹽巖由于極易溶解于水等特殊屬性,促進(jìn)了地下鹽巖儲備庫的建設(shè)。鹽巖礦床一般都深埋于地下,在水溶造腔過程中必須考慮三軸應(yīng)力作用對鹽巖溶解造腔的影響,同時在溶解過程中還受到溫度、溶液濃度、流速等影響。因此充分掌握三軸應(yīng)力條件下鹽巖溶解特性以及其溶蝕機(jī)理對水溶造腔形狀控制和穩(wěn)定性具有重要意義,是確保鹽穴儲庫安全成功建腔的關(guān)鍵。
　　本文通過試驗研究了在無應(yīng)

2、力條件下溫度、溶液濃度、流速、溶蝕傾角和溶蝕面積對鹽巖溶解特性的影響,自行研制了三軸應(yīng)力作用下鹽巖溶解特性試驗機(jī),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同應(yīng)力條件下鹽巖溶解特性的試驗研究,分析三軸應(yīng)力條件下鹽巖溶蝕機(jī)理,并且在上述研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了鹽巖溶解速率影響因素正交試驗,得到了濃度、溫度、等效應(yīng)力和流量耦合條件下鹽巖溶蝕方程,主要結(jié)論如下:
　　(1)分析了鹽巖溶解基礎(chǔ)理論,通過無應(yīng)力條件下鹽巖溶解試驗研究,得出溫度、溶液濃度、流速、溶蝕傾角和溶蝕

3、面積等因素對鹽巖溶解速率的影響規(guī)律。
　　(2)自行研制了三軸應(yīng)力作用下鹽巖溶解特性試驗機(jī),解決了三軸應(yīng)力條件下溶解水流通過鹽巖試樣的關(guān)鍵技術(shù)問題和溶解過程中密封、穩(wěn)壓和試驗設(shè)備抗腐蝕性等關(guān)鍵難題,在此基礎(chǔ)上得到該試驗條件下鹽巖溶解速率計算方法。
　　(3)通過模型計算分析,推導(dǎo)出三軸應(yīng)力作用下鹽巖試樣通水孔壁溶解面上應(yīng)力分布規(guī)律和外部應(yīng)力載荷之間的定量關(guān)系,發(fā)現(xiàn)鹽巖試樣溶蝕面上軸向應(yīng)力與外部載荷軸壓數(shù)值相等,環(huán)向應(yīng)力數(shù)值是

4、圍壓的2倍,徑向應(yīng)力為0;
　　(4)利用自行研制三軸應(yīng)力條件下鹽巖溶解試驗系統(tǒng),進(jìn)行了不同應(yīng)力載荷條件下鹽巖溶解試驗,分析了三軸應(yīng)力作用下鹽巖變形及力學(xué)損傷過程,揭示了等效應(yīng)力與鹽巖溶解速率之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在不同圍壓條件下鹽巖溶解速率表現(xiàn)相同變化規(guī)律,溶解速率都隨著等效應(yīng)力增大先緩慢減小,然后又逐漸增大;鹽巖溶解速率變化主要是由于在不同應(yīng)力載荷條件下鹽巖內(nèi)部損傷程度不同,試樣內(nèi)部裂紋、裂隙經(jīng)歷壓密、閉合然后又發(fā)育、擴(kuò)張的過程,從

5、而改變了溶解過程中有效溶蝕面積以及單位時間內(nèi)鹽巖的溶解量;溶解速率最低點所處應(yīng)力狀態(tài)剛好是彈性變形過渡為塑性變形的臨界點,同時也是鹽巖試樣體積應(yīng)變的擴(kuò)容點,從而揭示了三軸應(yīng)力條件下鹽巖溶蝕機(jī)理。
　　(5)總結(jié)溶解造腔過程中影響鹽巖溶解速率的各種因素,選取溶液濃度、溫度、等效應(yīng)力和流量四個因素為因變量,溶解速率為自變量,進(jìn)行正交試驗。試驗結(jié)果表明,濃度和溫度對鹽巖溶解速率影響明顯,等效應(yīng)力和流量兩個因素對溶解速率影響相對較弱,四個

6、因素對鹽巖溶解速率影響主次關(guān)系為濃度>溫度>等效應(yīng)力>流量;運(yùn)用層次分析法計算發(fā)現(xiàn),濃度和溫度兩個因素對鹽巖溶解速率影響權(quán)重達(dá)到了95％,對溶解速率影響權(quán)重關(guān)系為濃度>溫度>等效應(yīng)力>流量。
　　(6)在上述研究基礎(chǔ)上,通過回歸分析,得到濃度、溫度、等效應(yīng)力和流量四個因素耦合條件下鹽巖溶蝕方程。運(yùn)用相關(guān)系數(shù)和殘差計算方法,對方程預(yù)測結(jié)果進(jìn)行檢驗,結(jié)果顯示,方程預(yù)測結(jié)果跟試驗結(jié)果基本一致,進(jìn)而說明多因素耦合條件下鹽巖溶蝕方程較為準(zhǔn)確