层状盐岩分数阶蠕变模型及盐腔长期稳定性评价

本项目拟针对我国盐穴战略能源储备、CO2封存、高放废物地质处置等工程的共性基础问题，开展盐岩蠕变大变形问题分析与建模，探讨盐岩蠕变本构建模新方法。从我国层状盐岩的构造特征入手，针对经典组合蠕变模型参数过多、难以确定以及经验模型中实验室时间尺度外推到工程时间尺度的难题，将分数阶导数理论与方法引进到盐岩蠕变特性的研究中，并将分数阶导数理论与盐岩蠕变过程的物理机制(即细观尺度上的结构演化和损伤积累)相融合，系统研究层状盐岩变形破坏的时间效应，建立我国层状盐岩新的蠕变本构模型，探询盐岩类材料蠕变本构建模新方法，并分析和评价能源储备库等大型地下空间的长期稳定性。

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2 封存、高放废物处置等具有十分重要的意义。本课题应用程控流变仪，采用围压不变、轴压分级加载的实验方法对湖北江汉油田的盐岩试件进行了三轴流变实验。实验结果显示，盐岩流变呈现出典型的三个阶段，即初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段。基于分数阶微积分理论，采用将分数阶Abel粘壶取代经典西原模型中Newton粘壶的方法，构建了盐岩的分数阶常系数蠕变本构模型，此模型可以较好的描述盐岩流变的前两个阶段。根据常系数Abel粘壶的理论思想，本课题提出了变系数Abel粘壶，此模型可以比较准确地反映出盐岩的非稳定流变特性。在声发射理论的基础上，本课题进一步进行了历时359天的层状岩盐室内单轴蠕变实验，并且实时监测了实验过程中的声发射信号规律，构建了基于声发射的岩盐损伤演化本构模型，此模型能够较好的描述岩盐蠕变的整个三个特征阶段。.本课题借助于浸蚀、γ射线染色技术，分析了盐岩三种流变过程的典型细观特征、流变机制在特定条件下的相互竞争及转化，得出盐岩在长期地质过程中，受温度、应力、应变率、晶界水的影响，盐岩流变过程中将会发生应变率主导机制的转化：位错交叉滑移在较高应力及应变率条件下将成为稳态蠕变阶段的主导机制，而在较低应力及应变率情况下流变控制机制将变为位错攀移；对于潮湿细晶粒盐岩，压溶对于流变过程的影响将更加重要，而随着晶粒尺寸增大，位错蠕变对于应变率的主导作用将逐渐明显。.同时针对中国层状盐岩的特点，本课题借助FLAC3D软件对不考虑界面强度情况下，综合考虑了静力稳定性和长期稳定性结果，提出了储库的最小运行压力以及腔周间距，在考虑界面的情况下，探讨了不同界面特性对溶腔稳定性的影响；结合盐岩流变结果，通过COMSOL软件建立了盐岩的孔隙－裂隙渗透模型，考虑长期运营条件下损伤区以及界面渗透特性的基础上，研究了不同时间内气体在储库近场围岩中的渗透范围，对层状盐岩储气库的运营具有一定的参考价值。