層狀鹽巖力學(xué)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(zhì)，利用深部鹽巖洞穴進(jìn)行能源地下儲備成為國際上廣泛認(rèn)可的能源儲備方式。西方發(fā)達(dá)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(jì)，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(diǎn)部署方向，鹽巖地下儲庫群大規(guī)模興建已經(jīng)開始。如建設(shè)中的江蘇金壇鹽巖儲氣庫，2010年將達(dá)到15個(gè)單腔（單腔容積約為2.0×105m3）的規(guī)模，最終將形成由100～120個(gè)單腔組成的密集地下氣庫群。同時(shí)，一個(gè)由50～60個(gè)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(dá)3.0×106～6.0×106t。另外，湖北云應(yīng)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(zāi)難性事故，如油氣滲漏、溶腔失效和庫區(qū)地表沉陷等時(shí)有發(fā)生，且事故突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，對安全及環(huán)境產(chǎn)生巨大災(zāi)難性影響。而我國在鹽巖地下儲庫建設(shè)方面剛剛開始，缺乏經(jīng)驗(yàn)，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(zhì)條件相對復(fù)雜，薄夾層的存在增大了形成油氣滲漏通道的風(fēng)險(xiǎn)，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(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)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(cái)產(chǎn)安全。對這種鹽巖層中的地下儲庫群的建設(shè)與運(yùn)營將遇到更為復(fù)雜的科學(xué)問題和技術(shù)難題，亟須就相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)理論進(jìn)行研究。這其中鹽巖及其夾層的工程力學(xué)特性研究是最為關(guān)鍵的，是解決其他問題的前提和基礎(chǔ)。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(chǎn)基地湖北云應(yīng)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(gòu)造的鹽巖礦床。我國鹽巖的基本特點(diǎn)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(chǎn)生顯著的影響，因此，在這類鹽巖層中實(shí)施能源儲備與國外成熟的鹽巖儲存技術(shù)相比，更具有復(fù)雜性。

內(nèi)容概要

本書與我國深部鹽巖地下能源儲備研究相結(jié)合，介紹了層狀鹽巖工程力學(xué)特性研究及應(yīng)用研究的成果。主要包括層狀鹽巖工程力學(xué)特性試驗(yàn)研究、層狀鹽巖工程力學(xué)特性理論研究（包括本構(gòu)、損傷、蠕變及溫度效應(yīng)）、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(shè)計(jì)和施工的科研人員和工程技術(shù)人員參考，也可為鹽巖水溶采礦的工程技術(shù)人員提供參考。

作者簡介

楊春和，男，研究員，博士生導(dǎo)師。國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授。1999年獲美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)地質(zhì)工程博士學(xué)位。目前擔(dān)任中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所所長助理、巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國力學(xué)學(xué)會(huì)理事、《巖土工程學(xué)報(bào)》副主編、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》和《巖上力學(xué)》編委等。主要從事深部能源儲備的巖石力學(xué)、工程地質(zhì)、計(jì)算力學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究?，F(xiàn)承擔(dān)973計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等10多項(xiàng)國家級科研課題，作為學(xué)科方向帶頭人參加國家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)。作為第一完成人，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，獲省部級一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。發(fā)表相關(guān)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(xiàng)。

書籍目錄

序前言第1章　鹽巖層巖土力學(xué)物理基礎(chǔ)  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(xué)特性試驗(yàn)研究  2.1　鹽巖體力學(xué)特性研究進(jìn)展    2.1.1　深部鹽巖力學(xué)研究方面    2.1.2　層狀巖體力學(xué)研究方面　2.2　層狀鹽巖變形破壞及其時(shí)間和溫度效應(yīng)    2.2.1　單軸壓縮試驗(yàn)    2.2.2　三軸壓縮試驗(yàn)    2.2.3　單軸壓縮蠕變試驗(yàn)    2.2.4　三軸壓縮蠕變試驗(yàn)    2.2.5　溫度影響試驗(yàn)    2.2.6　應(yīng)力松弛試驗(yàn)　2.3　層狀鹽巖交界層面力學(xué)特性及微觀機(jī)理    2.3.1　間接拉伸試驗(yàn)    2.3.2　直接剪切試驗(yàn)    2.3.3　交界層面微觀分析第3章　鹽巖蠕變機(jī)理及層狀鹽巖破損分析  3.1　鹽巖的蠕變機(jī)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(jī)理圖的建立及應(yīng)用  3.2　層狀鹽巖破損機(jī)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(jī)理    3.2.3　層狀鹽巖的三軸破壞機(jī)理第4章　層狀鹽巖本構(gòu)模型及蠕變損傷特性研究  4.1　層狀鹽巖復(fù)合體擴(kuò)展Cosserat本構(gòu)模型    4.1.1　Cosserat介質(zhì)本構(gòu)理論簡介    4.1.2　Cosserat介質(zhì)模型代表單元    4.1.3　Cosserat介質(zhì)擴(kuò)展模型本構(gòu)關(guān)系  4.2　新本構(gòu)模型的程序?qū)崿F(xiàn)    4.2.1　FLAc3D計(jì)算方法簡介    4.2.2　Cosserat介質(zhì)彈塑性本構(gòu)模塊開發(fā)  4.3　鹽巖蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系研究    4.3.1　鹽巖蠕變本構(gòu)關(guān)系概述    4.3.2　鹽巖蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系的建立    4.3.3　鹽巖蠕變損傷本構(gòu)編程及應(yīng)用驗(yàn)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(zhì)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(jì)算模型    5.2.2　腔體體積蠕變規(guī)律研究    5.2.3　運(yùn)營過程中損傷區(qū)擴(kuò)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(yīng)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(zhì)條件    5.3.2　計(jì)算模型和計(jì)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 鹽巖層巖土力學(xué)物理基礎(chǔ)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(xué)作用下的沉積巖。鹽巖是一種特殊的地質(zhì)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(guān)注。1.1.1鹽巖主要礦物特性鹽巖主要礦物為“石鹽”，化學(xué)式為NaCl，理論含量：Na 39.34％、C1 60.66％，常含有鹵水、氣泡、泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)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(shí)呈柱狀、纖維狀、毛發(fā)狀、鹽華狀等；無色透明或白色，含泥質(zhì)時(shí)呈灰色，含氫氧化鐵時(shí)呈黃色，含氧化鐵時(shí)呈紅色，含有機(jī)質(zhì)呈黑褐色。鹽巖呈玻璃光澤，風(fēng)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(shí)溶解度為36，易潮解，味咸，有涼感；不導(dǎo)電，摩擦發(fā)光，焰色濃黃；熔點(diǎn)為801℃，沸點(diǎn)為1413℃，在1000℃時(shí)其可塑性很強(qiáng)，當(dāng)溫度、壓力升高超過其臨界點(diǎn)時(shí)軟化，產(chǎn)生塑性變形，形成軟流（固體流）。

編輯推薦

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

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