盐岩非线性流变性态及地下复杂溶腔r变形数值分析

盐岩非线性流变性态及地下复杂溶腔r变形数值分析王志荣;郭志伟;王泉更;陈玲霞;张利民【摘要】Based on the characteristics of Pingdingshan salt field, an equivalent composite unit mathematical model was built to replace the interbedded salt rock. The triaxial creep simulation curve of the model was con-sistent with experimental result of the interbedded salt rock. Meanwhile,three-dimensional numerical simulation of underground cavern was conducted by ABAQUS and the law of creep zone extension and volume reduction under different pressure was discussed. The results show that:(1)The equivalent composite unit has good nu-merical stability at steady-state creep stage. The mudstone interlayer can effectively limit the visco plastic areas and movement of surrounding rock. (2)The composite unit basically presents as small linear deformation under the confining pressure (8 MPa) . The cavern volume shrinkage rate and creep duration showed the lowest val-ues of 3% and 2. 5 respectively. With the increase of internal pressure(8~12 MPa),the equivalent composite unit began to show nonlinear creep deformation. The the volume shrinkage rate reached to a small value (3. 5%) after a short time (2. 5 a). With the rapid decrease of internal pressure(≤4 MPa),the surrounding rock showed nonlinear large deformation with the duration of steady creep and creep rate were increasing. The creep of surrounding rock will occur in next five years. (3) The viscosity coefficient of the plastic zone in the test area is increasing with time,which shows the deformation trend is more and more stable inthe process of gas storage. Therefore,store pressure should be controlled in an appropriate range(4~12 MPa) when wheel-ing,particularly the duration of small internal pressure should be reduced.%针对平顶山盐田盐岩层数多、单层厚度薄、泥岩夹层多的特点,建立等效复合单元代替互层状盐岩体,利用ABAQUS软件对马庄井田的地下溶腔进行三维数值模拟研究,探讨不同内压下,腔周塑性区围岩的非线性流变性态以及溶腔体积缩减规律.结果表明:(1)等效复合单元在稳态蠕变阶段具有较好的数值稳定性,泥岩能有效地限制黏塑性区范围以及围岩向洞内位移的发展;(2)在围压(8 MPa)作用下,互层状盐岩单元体基本呈现线性小变形特征,溶腔体积收缩率与蠕变持续时间均呈现最低值,分别为3%与2.5 a,随着内压增大(8~12 MPa),互层状盐岩单元体开始呈现非线性蠕变,但经过较短时间后(2.5 a)体积收缩率逐渐稳定至一较小值,约为3.5%,随着内压的迅速减小(≤4 MPa),腔周盐岩逐渐呈现非线性大变形特征,表现为稳态蠕变时间增长,蠕变速率增加,5 a后围岩蠕变仍在稳定增加;(3)塑性区围岩内的黏滞系数随时间普遍加大,体现了互层状盐岩在储气运行过程中越来越稳定的变形趋势,因此,实际运行时储气压力应控制在合理范围(4~12 MPa),尤其要减少在较小内压下的蓄气运行时间.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(036)006【总页数】7页(P49-55)【关键词】互层状盐岩;盐穴溶腔;复合单元;变形数值分析【作者】王志荣;郭志伟;王泉更;陈玲霞;张利民【作者单位】郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;河南省煤田地质局资源环境调查中心,河南郑州450053【正文语种】中文【中图分类】TE121能源是国民经济的重要命脉，关系到国家的经济增长与社会发展。

天然气作为一种清洁能源，无论是国家战略储备，还是企业周转库存，都要求人们迫切解决其安全存储问题[1]。

鉴于安全与效率的缘故，世界上90%的流体储备库兴建在盐岩溶腔或报废的盐井中[2-4]。

近年来，人们对盐岩蠕变、储气库的溶腔体积缩减以及长期稳定性开展了大量研究[5-9]。

井文君等[10]通过力学分析推导出恒定内压条件下，无限盐岩体中球形腔体在盐岩稳态蠕变阶段的体积收缩率公式；陈锋等[11]从Norton Power本构模型出发，考虑盐岩的蠕变损伤，利用FLAC3D模拟了储气库腔体体积减少规律；赵克烈等[12]基于金坛储气库运行过程中溶腔内卤水压力变化的监测数据，来分析腔体体积收缩变形，并据此反演分析盐层蠕变本构方程的主要蠕变参数。

河南平顶山盐田位于西气东输一线和西气东输二线之间,将其建成地下盐穴储气库,对中国中原地区的天然气供应以及西气东输一线、西气东输二线的调峰和应急供气具有非常重要的意义。

本文试图用复合单元来代替互层状盐岩，通过ABAQUS软件模拟平顶山盐岩地下溶腔在不同内压条件下的体积蠕变缩减规律，以指导其前期规划与建设工作。

平顶山盐矿位于舞阳凹陷区，凹陷区东西长120 km，南北宽15～20 km，面积1 900 km2，其中新生代沉积厚7 000～8 000 m。

地层自下而上为古近系玉皇项组、古近系大仓房组、古近系核桃园组、古近系廖庄组、新近系上寺组、第四系。

区域资料表明，区内可采盐层位于古近系核桃园组，上部为灰色泥岩、浅灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、油页岩、灰白色盐岩、含膏泥岩，下部为深灰色含膏泥岩与泥岩互层，夹有浅灰色细砂岩和粉砂岩。

中盐皓龙马庄井田的采区面积约1.01 km2，年产200 t液体盐。

盐岩呈多层交替，赋存在古近系核桃园组中，主要岩性为盐岩夹泥岩，含盐段埋深1 000～2 000 m。

由于马庄井田的地质条件简单，均已探明地下地层及构造特征，矿区面积大小适宜为1 km2，是进行盐穴可储性研究、溶腔蠕变预测相对理想场区，故选择该矿典型系列井(孔)作为盐穴地下储气库的备选区，进而建立复杂盐田盐穴蠕变数值计算模型。

通过地面物探以及现场采井验证，该区域盐岩与泥岩相间互层，盐层与夹层数量多、单层厚度薄，导致地下溶腔形态极其复杂，剖面上呈现多个不规则的空穴群，如图1所示。

2.1 互层状盐岩蠕变试验为获取盐岩和泥岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数，在研究区内道1井分别采集盐岩、泥岩2种岩样，经室内加工后进行单轴压缩试验。

试验采用安徽理工大学土木建筑学院冻土实验室的WDT-100型冻土试验机，最大竖向加载能力为100 kN，数据量测精度1%，实验温度可控制在-40～+50 ℃之间，试验荷载和试验数据全部由计算机程序控制和采集。

加载应变速率均为2.5×10-5/s，当位移精度小于0.5%时即加载下一级荷载,试验温度恒定为20 ℃，试样应力应变曲线如图2所示。

从试验结果可知：泥岩的平均抗压强度为21.54 MPa，平均弹性模量为10.18 GPa，平均泊松比为0.230；盐岩的平均抗压强度为19.80 MPa，平均弹性模量为6.67 GPa，平均泊松比为0.362。

在单轴压缩条件下比较2种岩石试样的单轴压缩应力应变曲线可以知道，当应力达到峰值应力时，盐岩轴向应变较大，泥岩较小。

泥岩弹性模量是盐岩的1.5倍左右，泥岩的泊松比是盐岩的0.64倍左右。

因此层状盐岩在单轴压缩应力下，无论是轴向变形能力还是体积扩容能力，其变形主要由层状盐岩中的盐岩层贡献。

而从应力应变曲线特征来看，在达到峰值应力之前，泥岩的应力和应变曲线近于直线，体现出脆性变形的特征。

因此当两者组成软硬互层两相复合盐岩体时，其中的泥岩将对盐岩的变形能力起着重要的控制作用。

在三轴压缩作用下，盐岩与泥岩的力学差异更加明显，不同围压下的盐岩和泥岩偏应力-应变曲线分别如图3和图4所示。

与强度高、横向变形能力弱的泥岩相比，这种强度低、横向变形强的特征会导致盐岩与泥岩交界面上出现变形不协调现象，从而影响溶腔的致密、稳定及安全性。

在三轴应力作用下，随偏应力的增大，盐岩与泥岩的应变均增加，但在相同载荷作用下，二者的应变差异越趋明显。

从试验结果可以得到岩石基本力学参数,如表1所示。

图5为泥岩、互层状盐岩与盐岩单轴蠕变曲线的对比图。

由图5可以看出，在较低轴压作用下三种不同试样都只经历初始蠕变，蠕变量维持在较低水平(0.05%)。

随着轴压的增加试样进入稳态蠕变阶段。

轴压一定时蠕变应变几乎随时间线性增加，蠕变应变率保持不变。

2.2 等效模型参数针对互层状盐岩中盐岩层数多、单层厚度薄、盐岩体中一般夹多层泥岩的特点，即垂向上表现为不同厚度的层状泥岩和层状盐岩交替出现。