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(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鹽巖礦床作為石油天然氣儲(chǔ)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(jiǎn)單、分布廣以及具有損傷自愈合的特性。但與國(guó)外巨厚鹽丘相比，我國(guó)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(huì)對(duì)儲(chǔ)庫(kù)建腔過(guò)程和運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生諸多不利的影響，并帶來(lái)一系列的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。為揭示這一內(nèi)在影響規(guī)律特征，本論文釆用實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)石膏

2、夾層在不同鹵水腐蝕環(huán)境下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化、弱化機(jī)理、靜態(tài)斷裂以及蠕變斷裂力學(xué)特性進(jìn)行了研究。此外在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用理論分析與數(shù)值仿真的方法對(duì)石膏夾層的周期垮塌步距和儲(chǔ)庫(kù)圍巖蠕變損傷演化進(jìn)行了分析和探討。主要內(nèi)容如下：
　　通過(guò)對(duì)不同濃度，不同溫度鹵水浸泡后的石膏夾層進(jìn)行SEM實(shí)驗(yàn)、MCT實(shí)驗(yàn)、壓痕試驗(yàn)和析因設(shè)計(jì)方差分析，揭示了其在不同腐蝕條件下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征，得出石膏夾層的弱化機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定。
　　通過(guò)對(duì)鹵水浸泡后的石膏夾層進(jìn)行單軸斷裂韌度實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了對(duì)比。為了對(duì)試件的開(kāi)裂角和斷裂軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)MATLAB自編擴(kuò)展有限元程序并采用相互作用積分，計(jì)算得出了CSTBD型試件的I型、I

4、I型無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子和T應(yīng)力無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子。然后以MMTS斷裂準(zhǔn)則為基準(zhǔn)并根據(jù)MATLAB計(jì)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(shí)，MMTS準(zhǔn)則預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)鹵水浸泡后的石膏試件進(jìn)行三軸斷裂實(shí)驗(yàn)，得出斷裂韌度與圍壓緊密相連，同時(shí)揭示了圍壓可以改變?cè)嚰臄嗔逊绞?，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(duì)試件變形曲線和斷口形貌進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(zhǔn)則為基準(zhǔn)并根據(jù)MATLAB計(jì)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(shí)，MMTS準(zhǔn)則預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)Charles細(xì)觀應(yīng)力腐蝕模型進(jìn)行修正，建立了考慮剪切力的細(xì)觀蠕變斷裂本構(gòu)模型。該模型同時(shí)考慮了不同混合度的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)蠕變斷裂和裂縫擴(kuò)展速率的影響。然后通過(guò)對(duì)石膏試件進(jìn)行實(shí)時(shí)蠕變斷裂實(shí)驗(yàn)，揭示了蠕變斷裂的三個(gè)過(guò)程，得出試件在不同載荷下的起裂時(shí)間、穩(wěn)定階段裂縫擴(kuò)展速率和加速階段裂縫擴(kuò)展速率并對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定。然后將修正后細(xì)觀蠕變斷裂本構(gòu)模型嵌入到 PFC軟件中，進(jìn)行