層狀鹽巖力學理論與工程

前言

鹽巖由于其低滲透特性和良好的蠕變行為，成為能源儲存的理想介質，利用深部鹽巖洞穴進行能源地下儲備成為國際上廣泛認可的能源儲備方式。西方發(fā)達國家如美國、德國、法國等都已建起了大量的鹽巖地下油氣庫群，用于國家戰(zhàn)略能源儲備。據(jù)統(tǒng)計，美國90％、德國50％、法國30％的石油儲存于鹽巖庫群中；美國20％、德國40％、法國20％的天然氣儲存于鹽巖庫群中。在我國，由于國家能源儲備的巨大需求，能源鹽巖地下儲備也已成為能源戰(zhàn)略儲備的重點部署方向，鹽巖地下儲庫群大規(guī)模興建已經開始。如建設中的江蘇金壇鹽巖儲氣庫，2010年將達到15個單腔（單腔容積約為2.0×105m3）的規(guī)模，最終將形成由100～120個單腔組成的密集地下氣庫群。同時，一個由50～60個單腔組成的大型地下石油儲庫群也將在金壇鹽礦興建，原油儲備可達3.0×106～6.0×106t。另外，湖北云應和河南平頂山等鹽礦區(qū)也已規(guī)劃了大型地下油氣儲庫群。盡管相對于其他儲存圍巖體，鹽巖能源地下儲備庫具有較好的安全性，但近30年來，國外鹽巖地下儲庫災難性事故，如油氣滲漏、溶腔失效和庫區(qū)地表沉陷等時有發(fā)生，且事故突發(fā)性強、破壞力大，對安全及環(huán)境產生巨大災難性影響。而我國在鹽巖地下儲庫建設方面剛剛開始，缺乏經驗，特別是與國外巨厚鹽丘儲庫相比，我國巖鹽地層埋深較淺、成層分布、夾層較多，地質條件相對復雜，薄夾層的存在增大了形成油氣滲漏通道的風險，埋深較淺加劇了地表沉陷。況且，這些能源地下儲庫又均緊鄰人口稠密、經濟較為發(fā)達地區(qū)，此類事故一旦發(fā)生，不但影響能源儲備安全，而且危害人民的生命和財產安全。對這種鹽巖層中的地下儲庫群的建設與運營將遇到更為復雜的科學問題和技術難題，亟須就相關的基礎科學理論進行研究。這其中鹽巖及其夾層的工程力學特性研究是最為關鍵的，是解決其他問題的前提和基礎。值得注意的是，國外一般是在巨厚的、NaCl含量很高的深部鹽丘（鹽巖單層厚度大于200m）中建造溶腔型儲庫。我國鹽巖礦雖然分布廣泛，但從千年制鹽古都四川自貢到全國最大的井礦鹽生產基地湖北云應地區(qū)，從西北的陜甘盆地到東部的沿海地區(qū)，至今尚未發(fā)現(xiàn)巨鹽丘構造的鹽巖礦床。我國鹽巖的基本特點是“鹽巖層數(shù)多，單層厚度薄，不可溶夾層含量多”。眾多夾層的存在將對溶腔儲庫的圍巖穩(wěn)定性及滲透特性產生顯著的影響，因此，在這類鹽巖層中實施能源儲備與國外成熟的鹽巖儲存技術相比，更具有復雜性。

內容概要

本書與我國深部鹽巖地下能源儲備研究相結合，介紹了層狀鹽巖工程力學特性研究及應用研究的成果。主要包括層狀鹽巖工程力學特性試驗研究、層狀鹽巖工程力學特性理論研究（包括本構、損傷、蠕變及溫度效應）、深部廢棄鹽巖溶腔可用性評估，以及層狀鹽巖地下溶腔穩(wěn)定性分析等。    本書可供從事鹽巖地下能源儲存研究、設計和施工的科研人員和工程技術人員參考，也可為鹽巖水溶采礦的工程技術人員提供參考。

作者簡介

楊春和，男，研究員，博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授。1999年獲美國內華達大學地質工程博士學位。目前擔任中國科學院武漢巖土力學研究所所長助理、巖土力學與工程國家重點實驗室副主任、中國巖石力學與工程學會常務理事、中國力學學會理事、《巖土工程學報》副主編、《巖石力學與工程學報》和《巖上力學》編委等。主要從事深部能源儲備的巖石力學、工程地質、計算力學等多學科交叉領域的研究?，F(xiàn)承擔973計劃項目和國家自然科學基金重點項目等10多項國家級科研課題，作為學科方向帶頭人參加國家自然科學基金委員會創(chuàng)新研究群體科學基金項目1項。作為第一完成人，獲國家科技進步二等獎3項，獲省部級一等獎3項、二等獎2項。發(fā)表相關論文150多篇（其中SCl／El收錄120多篇），出版專著3部，獲得專利8項。

書籍目錄

序前言第1章　鹽巖層巖土力學物理基礎  1.1　鹽巖的組成及成因    1.1.1　鹽巖主要礦物特性    1.1.2　鹽巖主要成分    1.1.3　鹽巖成因  1.2　鹽丘與層狀鹽巖    1.2.1　鹽丘    1.2.2　層狀鹽巖  1.3　我國井礦鹽分布第2章　層狀鹽巖力學特性試驗研究  2.1　鹽巖體力學特性研究進展    2.1.1　深部鹽巖力學研究方面    2.1.2　層狀巖體力學研究方面　2.2　層狀鹽巖變形破壞及其時間和溫度效應    2.2.1　單軸壓縮試驗    2.2.2　三軸壓縮試驗    2.2.3　單軸壓縮蠕變試驗    2.2.4　三軸壓縮蠕變試驗    2.2.5　溫度影響試驗    2.2.6　應力松弛試驗　2.3　層狀鹽巖交界層面力學特性及微觀機理    2.3.1　間接拉伸試驗    2.3.2　直接剪切試驗    2.3.3　交界層面微觀分析第3章　鹽巖蠕變機理及層狀鹽巖破損分析  3.1　鹽巖的蠕變機理分析    3.1.1　概述    3.1.2　鹽巖的率方程的簡化    3.1.3　鹽巖蠕變機理圖的建立及應用  3.2　層狀鹽巖破損機理分析    3.2.1　巖石的基本破壞類型    3.2.2　層狀鹽巖體的單軸破壞機理    3.2.3　層狀鹽巖的三軸破壞機理第4章　層狀鹽巖本構模型及蠕變損傷特性研究  4.1　層狀鹽巖復合體擴展Cosserat本構模型    4.1.1　Cosserat介質本構理論簡介    4.1.2　Cosserat介質模型代表單元    4.1.3　Cosserat介質擴展模型本構關系  4.2　新本構模型的程序實現(xiàn)    4.2.1　FLAc3D計算方法簡介    4.2.2　Cosserat介質彈塑性本構模塊開發(fā)  4.3　鹽巖蠕變損傷本構關系研究    4.3.1　鹽巖蠕變本構關系概述    4.3.2　鹽巖蠕變損傷本構關系的建立    4.3.3　鹽巖蠕變損傷本構編程及應用驗證第5章　深部地下油（氣）儲存鹽巖溶腔穩(wěn)定性研究  5.1　江蘇金壇鹽礦溶腔儲氣庫穩(wěn)定性研究    5.1.1　金壇鹽礦基本地質特征    5.1.2　鹽巖溶腔儲庫洞形優(yōu)化研究    5.1.3　擬建儲氣庫數(shù)值模擬研究  5.2　江蘇金壇鹽礦優(yōu)選老腔穩(wěn)定性分析    5.2.1　優(yōu)選老腔計算模型    5.2.2　腔體體積蠕變規(guī)律研究    5.2.3　運營過程中損傷區(qū)擴展區(qū)研究    5.2.4　腔頂至套管鞋的安全距離的確定    5.2.5　不同采氣速率下腔體變形規(guī)律研究　5.3　湖北云應鹽礦擬建溶腔穩(wěn)定性研究    5.3.1　建造鹽巖溶腔型儲庫的基本地質條件    5.3.2　計算模型和計算參數(shù)    5.3.3　溶腔穩(wěn)定性分析    5.3.4　儲油庫長期穩(wěn)定性一流變分析    5.3.5　套管鞋一腔頂距分析    5.3.6　合理礦柱寬度分析6　層狀鹽巖體中地下能源儲庫穩(wěn)定性影響因素分析參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 鹽巖層巖土力學物理基礎1.1鹽巖的組成及成因鹽巖（rock salt或salt）主要礦物為石鹽（halite），是化學作用下的沉積巖。鹽巖是一種特殊的地質材料，除了作為非金屬礦物原料外，在深部地下能源儲備和廢物處置方面也引起人們廣泛的關注。1.1.1鹽巖主要礦物特性鹽巖主要礦物為“石鹽”，化學式為NaCl，理論含量：Na 39.34％、C1 60.66％，常含有鹵水、氣泡、泥質和有機質等包裹體。鹽巖單晶體為等軸晶系，常呈立方體，在立方體晶面上常有階梯狀凹陷（見圖1-1）。集合體一般為粒狀、致密塊狀，有時呈柱狀、纖維狀、毛發(fā)狀、鹽華狀等；無色透明或白色，含泥質時呈灰色，含氫氧化鐵時呈黃色，含氧化鐵時呈紅色，含有機質呈黑褐色。鹽巖呈玻璃光澤，風化表面或潮解后呈油脂光澤，貝殼狀斷口，性脆，硬度為2～2.6，密度為2.1～2.29／cm3；易溶于水，20℃時溶解度為36，易潮解，味咸，有涼感；不導電，摩擦發(fā)光，焰色濃黃；熔點為801℃，沸點為1413℃，在1000℃時其可塑性很強，當溫度、壓力升高超過其臨界點時軟化，產生塑性變形，形成軟流（固體流）。

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《層狀鹽巖力學理論與工程》是由科學出版社出版的?！秾訝铥}巖力學理論與工程》可供從事鹽巖地下能源儲存研究、設計和施工的科研人員和工程技術人員參考，也可為鹽巖水溶采礦的工程技術人員提供參考。

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