岩石Biot系数试验分析及二氧化碳地质处置工程应用

发布时间：2017-04-11 04:19

  本文关键词：岩石Biot系数试验分析及二氧化碳地质处置工程应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,地下深部工程广泛开展,其中包含二氧化碳地质处置工程、干热岩开发工程以及油气开采工程。此类地下深部工程均涉及地下深部岩体的温度场-流体场-力学场多物理场耦合问题,越来越多的学者开展了有关地下深部岩体多场耦合问题的研究。在众多问题的研究中,各国学者忽视了深部地下工程施工所引起的地下深部岩体温度、有效应力的变化,进而导致的岩体固有参数的变化。为了解决此类问题,本文着重针对地下深部工程开展岩石Biot系数实验分析以及THM多场耦合模型研究。首先,选取松辽盆地以及鄂尔多斯盆地岩石实验样品,测定岩石Biot系数,同时测定岩石的密度、孔隙率、波速以及矿物成分等参数,研究岩石Biot系数与这些因素的关系;其次,研究岩石裂隙、岩石所受温度、有效应力对四类岩石(花岗闪长岩、流纹岩、粗粒砂岩、细粒砂岩)Biot系数的影响以及四类岩石Biot系数随裂隙、温度、有效应力变化而变化的规律,并通过拟合实验结果推得不同岩石Biot系数随温度、有效应力变化的经验公式。再次,根据推导出的经验公式修正笔者所在课题组自行编制的THM多场耦合模拟软件,并通过InSalah场地实测值验证修正后模型的准确性。最后,应用岩石Biot系数修正后的THM多场耦合模拟软件对鄂尔多斯二氧化碳地质处置示范工程进行预测。通过模拟研究该场地二氧化碳注入后的力学变化和塑性区展布特征,预测该场地可持续注入压力以及该场地二氧化碳注入后地表变形情况。在岩石Biot系数实验分析研究中,测试了岩石Biot系数、密度、孔隙率、波速以及矿物成分,分析了岩石Biot系数与各影响因素间的关系:岩石Biot系数随着密度的增加而减小,随着孔隙率增加而增加,随着波速增加而减小,即同一类岩石,岩石越致密岩石Biot系数越低;不同类岩石间岩石Biot系数还受到岩石结构的影响。结构较稳定岩石Biot系数较低。岩石Biot系数不仅与岩石内部结构相关,还跟岩石所处的状态以及外部环境相关,由实验可知:第一,温度对岩石Biot系数有影响,并由于压力不同所表现出的变化趋势不同,在低压力区,随温度增加Biot系数增大;在高压力区,随温度增加Biot系数减小。有效应力对岩石Biot系数有较大影响,岩石Biot系数随有效应力增加而减小。第二,通过实验研究含不同方向裂隙岩石Biot系数随温度、有效应力变化趋势,研究发现含裂隙岩石与完整岩石受温度、有效应力影响趋势相同。并进一步通过对比相同温度、有效应力条件下完整岩石及含不同方向裂隙岩石Biot系数发现,含裂隙岩石Biot系数大于完整岩石Biot系数,含竖向裂隙岩石Biot系数大于含横向裂隙岩石Biot系数。由此可推断,岩石中裂隙数量以及裂隙在岩石中的位置、方向均对岩石Biot系数产生影响。在进行THM多场耦合模型研究过程中,根据推导出的Biot系数随温度、有效应力变化的经验公式修正笔者所在课题组自行编制的THM多场耦合模拟软件,并通过InSalah场地实测值验证修正后模型的准确性,结果发现修正后的模拟程序计算结果更为贴近真实监测结果,说明修正后的模拟程序计算结果更为准确。应用岩石Biot系数修正后的THM多场耦合模拟程序对鄂尔多斯二氧化碳地质处置工程进行预测,跟据实际场地情况建立了二维模型,经计算发现:随着二氧化碳注入,岩体孔隙压力逐步增加,有效压力影响范围明显超过二氧化碳运移范围;随着岩体孔隙压力增加,岩体有效应力减小,最终出现塑性区,根据塑性区范围以及破坏方式,计算出该场地二氧化碳注入压力不易超过22MPa;随着孔隙压力增加导致地层发生变形,注入点附近岩石形变量随着注入量的增加也是逐年增加的,最大形变量由第一年的1.36cm增加到第十年的4.65cm。
【关键词】：Biot系数 影响因素 实验分析 多场耦合 地下深部工程
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701;P642
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 研究背景与选题依据14-17
• 1.1.1 研究背景14-15
• 1.1.2 选题依据15-17
• 1.2 研究现状17-20
• 1.2.1 深部地下工程多场耦合研究现状17-18
• 1.2.2 二氧化碳地质处置工程研究现状18-19
• 1.2.3 岩石Biot系数研究现状19-20
• 1.3 研究内容及技术路线20-24
• 1.3.1 研究内容20-22
• 1.3.2 技术路线22-24
• 第2章 岩石Biot系数及影响因素分析24-42
• 2.1 概述24-27
• 2.1.1 岩石Biot系数测试原理24-26
• 2.1.2 岩石Biot系数影响因素及影响机理26-27
• 2.2 样品来源地地质特征27-30
• 2.2.1 松辽盆地地质特征28-29
• 2.2.2 鄂尔多斯盆地地质特征29-30
• 2.3 相关参数测试原理及方法30-34
• 2.3.1 岩石Biot系数测试仪器30-31
• 2.3.2 岩石力学参数测试仪器31-32
• 2.3.3 渗透率及孔隙率测试仪器32-33
• 2.3.4 岩石波速测试仪器33-34
• 2.3.5 岩石微观结构扫描测试仪器34
• 2.4 岩石密实程度对岩石Biot系数的影响34-40
• 2.4.1 岩石Biot系数与岩石密度间的关系34-35
• 2.4.2 岩石Biot系数与岩石孔隙率间的关系35-36
• 2.4.3 岩石Biot系数与岩石波速间的关系36-38
• 2.4.4 岩石Biot系数与岩石结构及矿物成分间的关系38-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第3章 温度、压力及裂隙对岩石Biot系数影响实验分析42-66
• 3.1 概述42
• 3.2 温度、压力及裂隙对岩石Biot系数原理研究42-44
• 3.3 实验设计44-50
• 3.3.1 实验试样44-46
• 3.3.2 实验步骤46-48
• 3.3.3 实验误差消除48-50
• 3.4 实验结果50-63
• 3.4.1 岩石排水体积模量51-53
• 3.4.2 岩石骨架体积模量测定53
• 3.4.3 岩石Biot系数53-55
• 3.4.4 含裂隙岩石体积模量及Biot系数测定55-63
• 3.5 实验结果分析63-64
• 3.6 本章小结64-66
• 第4章 CGS工程中多场耦合模拟程序研究66-80
• 4.1 概述66
• 4.2 模拟程序介绍66-69
• 4.2.1 FLAC3D软件66-67
• 4.2.2 TOUGHREACT软件67-68
• 4.2.3 THM耦合计算程序介绍68-69
• 4.3 InSalah场地模型应用研究69-73
• 4.3.1 InSalah场地介绍69
• 4.3.2 岩石Biot系数修正模块研究69-71
• 4.3.3 InSalah场地参数介绍71-72
• 4.3.4 模型初始条件及边界条件72-73
• 4.4 模拟对比结果73-78
• 4.4.1 有效应力对比73-76
• 4.4.2 地表变形对比76-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第5章 鄂尔多斯示范区修正Biot系数多场耦合模型应用80-87
• 5.1 概述80
• 5.2 建立模型80-82
• 5.2.1 网格剖分80-81
• 5.2.2 边界条件以及初始条件81-82
• 5.3 力学耦合模拟结果及分析82-86
• 5.3.1 孔隙流体压力分布82-83
• 5.3.2 盖层岩石力学稳定性分析83-85
• 5.3.3 位移变化分布85-86
• 5.4 本章小结86-87
• 第6章 结论与建议87-90
• 6.1 结论87-88
• 6.2 建议与未来展望88-90
• 参考文献90-97
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果97-98
• 致谢98

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