三軸應力作用下鹽巖溶解機理及溶蝕方程實驗研究.pdf

1、石油和天然氣是二十一世紀經(jīng)濟發(fā)展命脈,能源儲備已成為確保經(jīng)濟發(fā)展和戰(zhàn)略預案重要保障,鹽巖由于極易溶解于水等特殊屬性,促進了地下鹽巖儲備庫的建設。鹽巖礦床一般都深埋于地下,在水溶造腔過程中必須考慮三軸應力作用對鹽巖溶解造腔的影響,同時在溶解過程中還受到溫度、溶液濃度、流速等影響。因此充分掌握三軸應力條件下鹽巖溶解特性以及其溶蝕機理對水溶造腔形狀控制和穩(wěn)定性具有重要意義,是確保鹽穴儲庫安全成功建腔的關鍵。
　　本文通過試驗研究了在無應

2、力條件下溫度、溶液濃度、流速、溶蝕傾角和溶蝕面積對鹽巖溶解特性的影響,自行研制了三軸應力作用下鹽巖溶解特性試驗機,在此基礎上進行不同應力條件下鹽巖溶解特性的試驗研究,分析三軸應力條件下鹽巖溶蝕機理,并且在上述研究基礎上進行了鹽巖溶解速率影響因素正交試驗,得到了濃度、溫度、等效應力和流量耦合條件下鹽巖溶蝕方程,主要結論如下:
　　(1)分析了鹽巖溶解基礎理論,通過無應力條件下鹽巖溶解試驗研究,得出溫度、溶液濃度、流速、溶蝕傾角和溶蝕

3、面積等因素對鹽巖溶解速率的影響規(guī)律。
　　(2)自行研制了三軸應力作用下鹽巖溶解特性試驗機,解決了三軸應力條件下溶解水流通過鹽巖試樣的關鍵技術問題和溶解過程中密封、穩(wěn)壓和試驗設備抗腐蝕性等關鍵難題,在此基礎上得到該試驗條件下鹽巖溶解速率計算方法。
　　(3)通過模型計算分析,推導出三軸應力作用下鹽巖試樣通水孔壁溶解面上應力分布規(guī)律和外部應力載荷之間的定量關系,發(fā)現(xiàn)鹽巖試樣溶蝕面上軸向應力與外部載荷軸壓數(shù)值相等,環(huán)向應力數(shù)值是

4、圍壓的2倍,徑向應力為0;
　　(4)利用自行研制三軸應力條件下鹽巖溶解試驗系統(tǒng),進行了不同應力載荷條件下鹽巖溶解試驗,分析了三軸應力作用下鹽巖變形及力學損傷過程,揭示了等效應力與鹽巖溶解速率之間的關系。發(fā)現(xiàn)在不同圍壓條件下鹽巖溶解速率表現(xiàn)相同變化規(guī)律,溶解速率都隨著等效應力增大先緩慢減小,然后又逐漸增大;鹽巖溶解速率變化主要是由于在不同應力載荷條件下鹽巖內(nèi)部損傷程度不同,試樣內(nèi)部裂紋、裂隙經(jīng)歷壓密、閉合然后又發(fā)育、擴張的過程,從

5、而改變了溶解過程中有效溶蝕面積以及單位時間內(nèi)鹽巖的溶解量;溶解速率最低點所處應力狀態(tài)剛好是彈性變形過渡為塑性變形的臨界點,同時也是鹽巖試樣體積應變的擴容點,從而揭示了三軸應力條件下鹽巖溶蝕機理。
　　(5)總結溶解造腔過程中影響鹽巖溶解速率的各種因素,選取溶液濃度、溫度、等效應力和流量四個因素為因變量,溶解速率為自變量,進行正交試驗。試驗結果表明,濃度和溫度對鹽巖溶解速率影響明顯,等效應力和流量兩個因素對溶解速率影響相對較弱,四個

6、因素對鹽巖溶解速率影響主次關系為濃度>溫度>等效應力>流量;運用層次分析法計算發(fā)現(xiàn),濃度和溫度兩個因素對鹽巖溶解速率影響權重達到了95％,對溶解速率影響權重關系為濃度>溫度>等效應力>流量。
　　(6)在上述研究基礎上,通過回歸分析,得到濃度、溫度、等效應力和流量四個因素耦合條件下鹽巖溶蝕方程。運用相關系數(shù)和殘差計算方法,對方程預測結果進行檢驗,結果顯示,方程預測結果跟試驗結果基本一致,進而說明多因素耦合條件下鹽巖溶蝕方程較為準確