含夾層鹽巖蠕變特性試驗(yàn)及其本構(gòu)關(guān)系 - 圖文-

1、第35卷第1期煤炭學(xué)報(bào)Vol35No12010年1月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan2010文章編號(hào):02539993(201001004204含夾層鹽巖蠕變特性試驗(yàn)及其本構(gòu)關(guān)系唐明明1,王芝銀1,丁國生2,冉莉娜2(1.中國石油大學(xué)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊065007摘要:為了解某擬建鹽穴儲(chǔ)庫圍巖含夾層鹽巖的蠕變特性,對(duì)該庫址含泥巖夾層鹽巖、純泥巖和純鹽巖3種巖芯試樣進(jìn)行了不同圍壓下三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),分析了其蠕變變形規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:含夾層鹽巖初始蠕變階段的持續(xù)時(shí)間大于泥巖試件而與鹽巖試件

2、基本相同,即第1蠕變階段的持續(xù)時(shí)間主要由層狀鹽巖試件中鹽巖體部分決定;第2蠕變階段的穩(wěn)定蠕變速率則隨著泥質(zhì)夾層含量的不同呈現(xiàn)較大的差異,在相同應(yīng)力條件下,含泥質(zhì)夾層鹽巖試件的蠕變速率小于鹽巖而大于泥巖。根據(jù)3種巖樣第2蠕變階段的蠕變特性,基于含泥質(zhì)夾層鹽巖試件中泥質(zhì)夾層的體積分?jǐn)?shù),推導(dǎo)了含夾層鹽巖蠕變力學(xué)參數(shù)與純鹽巖及純泥巖蠕變參數(shù)的關(guān)系。關(guān)鍵詞:含泥質(zhì)夾層鹽巖;蠕變特性;蠕變速率;伯格斯蠕變模型中圖分類號(hào):TU458.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A收稿日期:20090417責(zé)任編輯:常琛基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50774090作者簡介:唐明明(1983,男,山東淄博人,博士研究生。E mail

3、 :tmm_sugarCreep property experiment and constitutive relation of salt-mudstone interlayerTANG Ming-ming 1,WANG Zhi-yin 1,DI NG Guo-sheng 2,AN Li-na 2(1.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology ,China University of Petroleum ,Beijing 102249,China ;2.Langfang Branch ,e-sear

4、ch Institute of Petroleum Exploration and Development ,Langfang 065007,China Abstract :In order to understand the mechanical characteristics of the surrounding layered rock salt of a gas storage cavern in Jiangsu Province ,creep experimental studies of triaxial compression under different confining

5、pressures were carried out on three kinds of rock samples which were rock salt ,mudstone and salt-mudstone interlayerThe experi-ments indicate that the duration of the first creep stage of salt-mudstone interlayer is larger than that of mudstone and almost the same as that of rack saltThe duration o

6、f the first creep stage is mainly dominated by the salt part of sam-pleThe stability creep rate of the second creep stage shows a large difference because the content of mudstone in salt-mudstone interlayer is differentUnder the same stress conditions ,the stability creep rate of the second creep st

7、age of salt-mudstone interlayer is much larger than that of rock salt and less than that of mudstoneAccording to the property of the second creep stage of three kinds of samples and the volume content of mudstone in salt-mudstone interlayer ,the relations between the creep parameters of salt-mudston

8、e interlayer and the creep parameters of mudstone and rock salt were obtainedKey words :salt-mudstone interlayer ;creep property ;stability creep rate ;Burgers creep model 對(duì)于鹽巖等軟弱巖石以及含有泥質(zhì)充填物和夾層的鹽巖,在恒定應(yīng)力作用下,其應(yīng)變呈現(xiàn)出明顯的蠕變特性。關(guān)于鹽巖蠕變特性及其本構(gòu)方程的研究在國外較多14,如HauptM 1等根據(jù)鹽巖蠕變變形提出了相關(guān)的蠕變模型;Chan KS 23等基于位錯(cuò)理論對(duì)鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)中的

9、損傷演化進(jìn)行了研究。近年來,我國學(xué)者對(duì)鹽巖蠕變變形的研究也取得了一些進(jìn)展57,楊春和等對(duì)鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)過程中的損傷關(guān)系進(jìn)行了研究。由于我國鹽巖層與國外鹽丘型鹽礦分布不同,具有層數(shù)多、雜質(zhì)多的特點(diǎn),對(duì)層狀鹽巖的蠕變特性方面研究仍相對(duì)很少。尤其是在含泥質(zhì)夾層鹽巖體的蠕變參數(shù)確定方面,因夾層鹽巖體的蠕變參數(shù)與其中泥質(zhì)夾層的含量有極大的關(guān)系,呈現(xiàn)明顯的復(fù)雜性和離散性。本文針對(duì)層狀鹽巖的特點(diǎn),利用某第1期唐明明等:含夾層鹽巖蠕變特性試驗(yàn)及其本構(gòu)關(guān)系地?cái)M建儲(chǔ)氣庫的鹽層取芯,對(duì)鹽巖、泥巖及含泥質(zhì)夾層鹽巖試件3種巖芯分別進(jìn)行三軸條件下的蠕變實(shí)驗(yàn),研究了3種巖樣初始蠕變階段持續(xù)時(shí)間及第2蠕變階段穩(wěn)定蠕變速率的關(guān)系

10、,并根據(jù)3種巖樣第2蠕變階段的蠕變特性,基于含泥質(zhì)夾層鹽巖試件中泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù),得到了不同泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)的含夾層鹽巖試件的蠕變力學(xué)參數(shù)的確定表達(dá)式。1實(shí)驗(yàn)概況實(shí)驗(yàn)儀器采用長春朝陽儀器廠生產(chǎn)的LW2000蠕變?cè)囼?yàn)機(jī),試驗(yàn)機(jī)提供最大軸向力為2000kN,最大圍壓為80MPa。實(shí)驗(yàn)過程中荷載誤差不超過200N,僅為最大加載軸向力的0.01%。制備巖樣采取對(duì)已有含夾層巖鹽及泥巖進(jìn)行套鉆取芯,并對(duì)試件斷面切割、磨平。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每種巖芯試樣不少于3個(gè),共制備3組11個(gè)巖樣。加工好后,對(duì)巖樣進(jìn)行恒載蠕變?cè)囼?yàn)。根據(jù)擬建儲(chǔ)氣庫的鹽層埋深,蠕變實(shí)驗(yàn)過程中圍壓大多數(shù)為20 30MPa,軸壓則在40

11、.0 61.3MPa。2含夾層鹽巖的三軸蠕變壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)鹽巖試件YY1、YY2及YY3進(jìn)行三軸蠕變實(shí)驗(yàn),蠕變實(shí)驗(yàn)曲線如圖1(a所示。其中YY1試件圍壓20MPa,軸壓61.3MPa;試件YY2圍壓為26MPa,軸壓為50MPa;試件YY3圍壓為20MPa,軸壓為50MPa。蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)間120 171h 。圖1鹽巖、泥巖和含泥質(zhì)夾層鹽巖試件蠕變曲線Fig.1Triaxial creep tests of rock salt,mudstone and salt-mudstone interlayer對(duì)泥巖試件進(jìn)行三軸蠕變實(shí)驗(yàn),泥巖三軸蠕變曲線如圖1(b所示。NY3試件圍壓為26MPa,軸壓為40MP

12、a,蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)間約101h;NY2號(hào)試件圍壓為26MPa,軸壓為45MPa,蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)間約109h; NY1號(hào)試件圍壓為26MPa,軸壓為50MPa,蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)間約107h。對(duì)含泥質(zhì)夾層鹽巖試件進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn),三軸蠕變曲線如圖1(c所示。試件中泥質(zhì)夾層角度均接近水平:JC1試件夾層厚度為0.5 1.8cm,實(shí)驗(yàn)圍壓為15MPa,軸壓為48MPa;JC2試件夾層厚度為2.5cm,試件端面含少量缺陷,實(shí)驗(yàn)圍壓為30MPa,軸壓為50MPa;JC3試件存在2個(gè)泥質(zhì)夾層,試件底部泥巖夾層厚度約為3cm,中部泥巖夾層厚度約為2cm,實(shí)驗(yàn)圍壓為20MPa,軸壓為50.5MPa;JC4試件為灰褐色含大量泥

13、質(zhì)夾層巖鹽試件,在試件上部、中部、下部各有1層厚約2.5cm的泥質(zhì)巖石夾層,實(shí)驗(yàn)圍壓為8MPa,軸壓為48MPa;JC5試件夾層厚度為3.5cm,實(shí)驗(yàn)圍壓為20MPa,軸壓為60MPa。由圖1可以看出,3種巖芯在不同圍壓及軸壓作用下,其蠕變實(shí)驗(yàn)曲線均存在明顯的初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段。鹽巖試件的持續(xù)時(shí)間最長,含夾層鹽巖試件的持續(xù)時(shí)間與純鹽巖試件基本相同,這主要是因?yàn)?泥質(zhì)夾層與鹽巖體的串聯(lián)結(jié)構(gòu)使得蠕變第1階段的持續(xù)時(shí)間主要由鹽巖體決定。泥巖試件的持續(xù)時(shí)間最短。蠕變曲線經(jīng)歷初始蠕變階段后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段。在蠕變的第2階段,對(duì)于不同的巖芯,當(dāng)偏應(yīng)力及圍壓大體相同時(shí),鹽巖的蠕變速率最大,其次是含夾

14、層鹽巖,泥巖試件的穩(wěn)態(tài)蠕變速率最小。如:泥巖試件NY1與純鹽巖試件YY2均為圍壓26MPa,軸壓50MPa,而純鹽巖試件YY2的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.61105,試件NY1的蠕變速率為1.14105,前者約為后者的7倍;含泥質(zhì)夾層試件JC3與純鹽巖試件YY3均為圍壓20MPa,軸壓50MPa,然而試件JC3的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.64105,試件YY3的蠕變速率為9.81105,后者約為前者的2倍。層狀鹽巖的軸向蠕變應(yīng)變來自兩部分:一部分為純鹽巖部分的蠕變;另一部分為泥巖夾層蠕變,純鹽巖蠕變率高于泥巖夾層。因此,在相同應(yīng)力狀態(tài)下,層狀鹽巖的蠕變應(yīng)變、蠕變速率介于純鹽巖與泥巖之間。3含夾層鹽巖蠕變本構(gòu)方

15、程通過對(duì)3種巖樣的蠕變實(shí)驗(yàn)分析可知,3種巖芯34煤炭學(xué)報(bào)2010年第35卷在瞬時(shí)彈性變形后,即進(jìn)入持續(xù)時(shí)間較短的初始蠕變階段和較長時(shí)期的穩(wěn)態(tài)蠕變階段。在初始蠕變階段,應(yīng)變隨時(shí)間非線性增加;而在穩(wěn)態(tài)蠕變階段,應(yīng)變隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出線性增加趨勢。層狀鹽巖為橫觀各向同性介質(zhì),在彈性及黏彈性變形階段其橫向變形在巖樣不同層位具有相異的變形規(guī)律,變化較為復(fù)雜。本文僅就其軸向變形問題進(jìn)行深入分析,3種巖樣的蠕變變形均采用如圖28所示的伯格斯(MK蠕變模型表示。由于鹽巖和含夾層鹽巖的初始蠕變階段持續(xù)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)蠕變階段相比短得多,因此,忽略初始蠕變階段的非線性特性,對(duì)初始蠕變階段同樣采用線性變形進(jìn)行處理,即采用

16、圖2中虛線所示的直線線性變形作為蠕變曲線,這樣,既不會(huì)對(duì)總?cè)渥冏冃瘟慨a(chǎn)生影響,又可方便地對(duì)長期蠕變進(jìn)行預(yù)測,對(duì)油氣鹽穴儲(chǔ)庫的長期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)將不產(chǎn)生明顯影響。圖2Burgers模型的蠕變曲線Fig.2The creep curve of Burgers model如圖2所示,當(dāng)忽略第1蠕變階段的非線性影響時(shí),以0/E0代替0/E1+0/E0,在三軸應(yīng)力狀態(tài)下,根據(jù)黏彈性理論和常規(guī)三軸蠕變條件,則可得到巖樣的軸向應(yīng)變?yōu)?t=1+239K+133G+133t(1式中,K、G分別為彈性體積模量和剪切模量;為剪切黏性系數(shù)?？紤]在圍壓3施加過程中,靜水壓力將使試件產(chǎn)生一定的變形3/3K,而這部分變形在實(shí)驗(yàn)

17、過程中并沒有記錄,因而式(1減去靜水壓力3時(shí)的球應(yīng)變3/3K,得到巖樣在主應(yīng)力差(13下的總應(yīng)變?yōu)?(t=139K+133G+133t(2對(duì)式(2進(jìn)行整理,采用常系數(shù)表示,得到1(t=A(12+B(12t(3式中,A=(3K+G/(9GK,B=1/(3根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)曲線,可以得到不同試件的參數(shù),見表1。其中,泥質(zhì)夾層的體積分?jǐn)?shù)采用如下方法得到:在三維蠕變實(shí)驗(yàn)前,稱量含夾層泥巖試件的質(zhì)量,試驗(yàn)后將所有試件部分(包括破碎部分放入水中進(jìn)行溶解,溶解后稱量剩余部分質(zhì)量,并根據(jù)泥巖及鹽巖的密度得到各自的體積,從而得到泥巖的體積分?jǐn)?shù)。表1不同試件蠕變參數(shù)及泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)Table1Creep par

18、ameters of the samples試件編號(hào)偏應(yīng)力/MPaA/GPa1B/(GPa·d1夾層體積分?jǐn)?shù)YY141.3 1.8500.03260YY224.0 1.8400.07610YY330.0 2.1500.07850JC133.0 1.1000.06340.182JC220.00.9400.06240.281JC330.5 1.0800.03650.502JC440.00.9180.03240.775JC540.0 1.4600.05230.375NY124.00.2100.01141NY219.00.2240.01411NY314.00.2410.00931由表1可知,

19、不同試件有不同的蠕變力學(xué)參數(shù)A、B,鹽巖體的A平均值為1.950GPa1,B的平均值為0.0773(GPa·d1?？紤]到試件YY1的值與其他2個(gè)差距較大,此處平均值取自試件YY2及YY3的值。泥巖體試件A的平均值為0.225GPa1,B的平均值為0.0116(GPa·d1。而含夾層鹽巖試件的參數(shù)則隨著泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)的變化有較大的差異。圖3為蠕變參數(shù)A、B隨泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系 。圖3參數(shù)A和B隨泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系Fig.3The change of the creep parameters A,Bwith the volume content of muds

20、tone44第1期唐明明等:含夾層鹽巖蠕變特性試驗(yàn)及其本構(gòu)關(guān)系由圖3可以看出,蠕變參數(shù)A 、B 均隨泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)m 的變化呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系,分別對(duì)2條曲線進(jìn)行線性擬合可以得到A =1.282m +1.666B =0.063m +0.076(4對(duì)于含夾層鹽巖體而言,由于其中泥質(zhì)夾層與鹽巖體互相呈層狀分布,因而層狀巖體的總變形可以表示為每層巖體變形的綜合,即層狀鹽巖體可認(rèn)為是多個(gè)泥巖夾層與鹽巖層串聯(lián)而成。假設(shè)對(duì)于一個(gè)層狀巖體試件,其中第i (i =1 n 層巖體層高為l i ,所占體積含量為a i ,則有如下關(guān)系:l 1=a 1l ,l 2=a 2l ,l n =a n l l =l 1+l

21、 2+l n層狀巖體的總變形可表示為=l /l =(l 1+l 2+l n /l =a 1l 1/l 1+a 2l 2/l 2+a n l n /l n =a 1'1+a 2'2+a n 'n其中,'i (i =1 n 為第i 層巖體的相對(duì)應(yīng)變,即第i 層巖體的變形與第i 層高l i 的比值。因而有=A (12+B (12t =a 1'1+a 2'2+a n 'n =(12ni =1a i (A i +B i t 基于忽略蠕變第1階段非線性的M K 蠕變模型的分層巖體試件蠕變參數(shù)的確定關(guān)系式為A =a 1A 1+a 2A 2+a n A

22、nB =a 1B 1+a 2B 2+a n B n(5對(duì)于含泥質(zhì)夾層鹽巖試件,其只有泥巖層及鹽巖層2層,因而式(5可寫為A =(1m A y +mA nB =(1m B y +mB n(6其中,A y 、B y 分別為鹽巖層的體積分?jǐn)?shù)及蠕變參數(shù);a n 為試件中泥質(zhì)夾層的總體積分?jǐn)?shù);A n 、B n 分別為泥巖層的體積分?jǐn)?shù)及蠕變參數(shù)。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn),A y =1.95、B y =0.0732、A n =0.225、B n =0.0116,則有A =1.725m +1.95B =0.0657m +0.0773(7這與式(4得出的參數(shù)基本吻合。通過以上分析可以得出,對(duì)于層狀巖體尤其是含夾層鹽巖試件的

23、蠕變變形,當(dāng)忽略其蠕變初始階段的非線性變化時(shí),可以利用M K 蠕變模型來表述其蠕變過程,因此,當(dāng)通過較少量的實(shí)驗(yàn)得到純鹽巖及純泥巖蠕變參數(shù)后,即可根據(jù)含泥質(zhì)夾層鹽巖試件中泥質(zhì)夾層的體積分?jǐn)?shù)直接按式(7得出其蠕變參數(shù)。4結(jié)論含夾層鹽巖蠕變初始階段的持續(xù)時(shí)間略少于鹽巖試件而大于泥巖試件,即蠕變第1階段的蠕變時(shí)間主要由層狀鹽巖試件中鹽巖體部分決定;蠕變第2階段的穩(wěn)定蠕變速率則隨著泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù)的不同呈現(xiàn)較大的差異,在相同圍壓及主應(yīng)力差條件下,含泥質(zhì)夾層鹽巖試件的蠕變速率小于鹽巖而大于泥巖。忽略第1蠕變階段的非線性,根據(jù)3種巖樣第2蠕變階段的蠕變特性,基于含泥質(zhì)夾層鹽巖試件中泥質(zhì)夾層體積分?jǐn)?shù),得到了

24、不同泥質(zhì)夾層含量的含夾層鹽巖試件的蠕變力學(xué)參數(shù)的確定表達(dá)式。該結(jié)果將為層狀鹽穴儲(chǔ)氣庫長期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供蠕變力學(xué)參數(shù)的確定依據(jù)。參考文獻(xiàn):1Haupt MA constitutive law for rock salt based on creep and relaxa-tion tests J ock Mechanics and ock Engineering ,1991,24:1792062Chan K SA damage mechanics treatment of creep failure in rocksalt J International Journal of Damage Mechanics ,1997,6(1:1221523Chan K S ,Munson D E ,Bodner S ecovery and healing of dam-age in WIPP salt J International Journal of Damage Mechanics ,1998,7(2:1431664Hunsche UMeasurement of creep in rock salt at small strain