盖层岩石黏弹塑性循环劣化与地质-化学-力学耦合过程的本构模型研究

为解决能源储存中盖层岩石在循环荷载和CO2作用下的力学性能劣化问题，研究人员基于Gens & Nova弹塑性框架，开发了耦合扩展超应力理论和化学溶解效应的本构模型。该模型成功模拟了意大利硬质碳酸盐黏土和我国页岩的循环力学响应及CO2化学侵蚀过程，为地下储气库(UGS)和碳封存(CCS)工程安全评估提供了理论工具。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，地下储气库(UGS)和碳捕集封存(CCS)技术面临严峻挑战——盖层岩石在反复注采循环和酸性流体侵蚀下的长期稳定性问题。传统油气工业积累的经验已不足以应对这些新兴应用场景：季节性天然气储存导致盖层承受周期性孔隙压力变化，而CO₂注入会引发岩石-水-酸性流体复杂反应。这些过程可能通过机械疲劳和化学溶解双重机制削弱盖层完整性，威胁储存安全。更棘手的是，现有本构模型多针对浅层低应力条件，难以刻画深部储层中高围压、长周期荷载与地球化学过程的耦合效应。

为突破这一技术瓶颈，研究人员在经典Gens & Nova(1993)弹塑性框架基础上进行创新性拓展。通过引入扩展超应力理论(extended overstress theory)和化学损伤变量，构建了能同时描述黏弹塑性循环劣化和地质-化学-力学耦合过程的本构模型。该成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为深部能源储存工程提供了关键理论工具。

研究采用多尺度实验与数值模拟相结合的方法：通过意大利硬质碳酸盐黏土(Santerno Clay)的循环三轴试验获取应变率相关参数；结合我国页岩在CO₂暴露后的力学测试数据，建立以方解石质量分数溶解度为指标的化学损伤演化方程；最终将模型与地球化学反应-运移模型耦合，实现全过程模拟。样本来源包括意大利现场取芯和我国典型页岩层系。

【2. 盖层材料力学行为的弹塑性本构框架】
基于小应变弹塑性理论，将应变增量分解为弹性(dε^e)和塑性(dε^p)分量。采用Panteghini和Lagioia提出的改进屈服函数，通过参数α_y控制屈服面形状，引入各向异性弹性矩阵描述层状岩石的力学响应。对天然结构化材料，通过标量b量化胶结程度，其演化由损伤变量h控制，建立p_cb/p_c=1+b和p_t/p_c=α_tb的定量关系。

【2.3 盖层材料单调三轴试验模拟】
模型成功再现了Opalinus页岩和Santerno黏土的应力-应变响应。参数标定显示：Santerno黏土初始胶结度b₀=6.2，体积损伤系数h_vol=90；Opalinus页岩弹性压缩系数κ=0.04，临界状态应力比M=0.78。模拟结果准确捕获了结构化材料特有的高初始刚度、峰值强度和应变软化特征。

【循环力学劣化的黏塑性扩展】
针对季节性储气库的长周期荷载特点，突破传统超应力理论局限，允许屈服面内(f<0)产生黏性应变。通过引入参考应变率相关的屈服面，模型成功预测了意大利碳酸盐黏土表现出的显著应变率效应——循环幅值增大时破坏所需周期数增加的现象。

【CO₂化学降解的耦合建模】
建立方解石溶解质量分数与力学参数的经验关系，反映酸性流体侵蚀导致的弹性模量衰减和胶结破坏。与反应-运移模型耦合后，准确模拟了我国页岩在CO₂长期作用下的渐进性劣化过程，证实pH值降低会显著降低盖层毛细突破压力。

该研究构建了首个能同时描述盖层岩石循环力学劣化和CO₂化学侵蚀耦合过程的本构框架。理论创新体现在三方面：(1)将超应力理论拓展至亚屈服域，解决了传统模型无法刻画低频循环荷载下黏性应变累积的难题；(2)建立化学-力学协同损伤方程，突破纯力学或纯化学模型的局限；(3)通过各向异性弹性矩阵实现层状岩石行为的精确描述。工程价值在于：为评估储气库(UGS)循环注采安全周期、预测碳封存(CCS)场地盖层长期密封性提供了定量分析工具，特别适用于含碳酸盐矿物的页岩和黏土质盖层。未来研究可进一步耦合温度场效应，完善多场耦合理论体系。