三轴压缩下单裂隙位置对复合岩样力学变形与破坏模式的影响

在地下富存裂隙的层状复合岩体中,复杂围压环境和裂隙分布对复合岩体力学性质和损伤破坏具有显著影响。选取由类灰岩和类砂岩组成的含预制单裂隙的复合岩样作为研究对象,通过常规三轴压缩试验,分析不同裂隙位置和围压条件下岩样的力学变形和破坏模式。结果表明:(1)完整复合岩样的强度受砂岩控制,而变形受灰岩限制。(2)随着围压的增加,复合岩样破坏特征由裂隙位置主导转变为由围压主导;复合岩样的体缩受围压的影响,而体胀受裂隙位置的影响。(3)在单轴压缩条件下,裂隙对岩样力学性质的削弱程度最大;当裂隙位于灰岩中时,损伤应力受围压影响最显著,岩样的强度和弹性模量随着裂隙位置的改变(从灰岩、接触面到砂岩)及围压的增加呈现出增加的趋势。(4)灰岩中的裂隙易产生拉伸裂纹,砂岩中的裂隙易产生剪切裂纹;随着围压的增加,复合岩样由拉伸破坏转变为剪切破坏,破坏模式由围压主导。该研究成果对复合岩体工程的安全加固设计具有一定的指导意义。

交叉裂隙砂岩样单轴力学特性与扩展破坏

天然岩体中存在大量交叉裂隙,严重影响岩体构筑物的变形、破坏和失稳规律。以类砂岩材料制作主、次不同裂隙倾角岩样为研究对象,通过采用单轴压缩和数字图像处理(digital image processing,DIC)摄像等试验方法,研究交叉裂隙产状对岩样的力学特性和破坏模式的影响。结果表明:与单一裂隙相比,单裂隙岩样的峰值强度和弹性模量总体上大于含交叉裂隙,表明交叉次裂隙会进一步削弱岩样力学性质。当α≤45°和α=60°且β≤45°时,次裂隙尖端裂纹萌生基本上早于主裂隙,次裂隙尖端裂纹未发生扩展贯通,主裂隙尖端裂纹发生贯通;在α=60°且β≥60°和α=90°时,主裂隙尖端裂纹萌生基本上早于次裂隙,次裂隙尖端裂纹扩展贯通,主裂隙尖端裂纹未发生贯通;裂纹主要沿上下方向扩展,水平向裂纹较少。其中α为交叉裂隙主裂隙与水平方向倾角,β为次裂隙与主裂缝方向倾角。岩样以张拉破坏为主,α为0°和90°时,岩样全部表现为张拉破坏,α为30°、45°和60°时,岩样随β增大表现为从剪切破坏—拉剪复合破坏—张拉破坏的变化,主破坏裂纹受主、次裂隙水平向投影较长的一条控制。

三轴压缩条件下共面双裂隙复合类岩断裂机制

为了研究裂隙构型属性和围压对复合岩的破坏特性影响及裂隙在复合岩中的扩展规律,基于室内单轴和三轴压缩试验,采用PFC 2D数值模拟软件建立含共面双裂隙复合岩三轴压缩颗粒模型,研究裂隙复合岩在不同裂隙倾角、裂隙长度和围压下的破坏特性和声发射演化规律。结果表明:岩样的破坏模式主要受裂隙倾角控制,而岩样的完整性主要受裂隙长度和围压控制;随着裂隙倾角的增加,岩样的破坏模式呈现张拉破坏→剪切破坏→拉-剪复合破坏的变化规律,随着裂隙长度和围压的增大,岩样的宏观裂纹减少,完整性越好;岩桥的贯通模式主要受裂隙倾角、结构面和围压的影响,裂隙倾角和围压越大,岩桥越容易贯通,结构面的存在会抑制岩桥的贯通;裂隙倾角越大,微裂纹呈“弥散式”分布于岩样的现象越明显,裂隙长度和围压越大,微裂纹的聚集现象越明显,岩样微裂纹的损伤积累随裂隙倾角和长度的增大而减小,随围压的增大而增大;岩样在变形加载过程中,声发射计数整体随裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度和围压的增大而减小,裂隙倾角、长度和围压主要改变的是声发射计数的数值大小。

应用DIC研究裂隙分布对层状复合岩力学特性及变形破坏影响

在储层压裂改造时,裂纹常在两种及以上的复合岩体中扩展,因复合岩岩性不同,会影响到压裂裂纹的走向和扩展。该文通过对含不同裂隙倾角和位置的复合试样进行单轴压缩试验,探究裂隙分布对复合岩体的力学特性、裂纹扩展及破坏的影响规律。主要结论如下:1)复合完整岩强度主要取决于强度较低的砂岩。2)裂隙分布对岩样力学性质的影响:3种裂隙位置的试样峰值强度随裂隙倾角增加而增加;在相同角度下,裂隙位于砂岩部分(FS)时劣化作用最强,裂隙位于大理岩部分(FL)时劣化作用最弱;裂隙分布对岩样破坏的影响:复合裂隙试样的裂隙位于砂岩时,试样的破坏主要为张拉破坏;裂隙位于交界面和大理岩时,砂岩部分随角度变化由拉伸破坏转变为剪切破坏,表现为“Y”形的破坏模式;裂隙倾角较小更易产生张拉裂纹,倾角较大更易产生剪切裂纹。3)复合裂隙样的裂隙倾角为0°~60°时,首先在裂隙尖端产生高应变区,随着加载的进行演变为应变局部化带,应变局部化带优先向较软的砂岩部分扩展。

裂缝吸水对泥页岩强度的影响

从物理化学作用和力学作用两个方面分析了裂缝吸水后对泥页岩强度的影响。由于泥页岩粘土矿物具有吸水特征,并遇水软化和水化膨胀。从泥页岩微观结构分析了水分子进入岩体基质后降低矿物颗粒间的相互胶结作用,并建立了含水量对泥页岩黏聚力和内摩擦角关系。进一步从力学角度研究水分子进入裂缝对裂纹尖端的颗粒施加液压使颗粒受到拉伸应力,从而使微裂纹起裂,并结合岩石力学、细观断裂力学理论计算出初裂强度。与实验结果进行对比得出相关结论。

苏里格气田泥页岩井壁水化损伤失稳周期确定

钻井过程中复杂的应力和固液作用,使围岩产生了水化扩散和水化膨胀,改变了其中的应力场和力学参数,从而导致泥页岩井壁失稳。通过试验研究,探讨了泥页岩井壁围岩水化随时间和空间的变化规律以及岩石弹性模量和抗压强度随含水率变化的损伤弱化规律,进而结合强度变形破坏理论推导出泥页岩遇水后的损伤演化方程、损伤演化极限方程和确定坍塌周期的方法。应用该方法,得出苏里格气田泥页岩井壁坍塌周期为6.8 d左右。

煤层井壁稳定新型防塌聚磺钻井液体系在气井水平井中的研究与应用

通过这几年的研究和应用,钻井液性能不断得到优化,抗污染能力得到提高,大斜度煤层井段钻井液密度由原来的1.30 g/cm3以上降低到目前的1.20 g/cm3,固相含量降低,有利于钻井液性能调整,煤层段及斜井段井壁稳定,起下钻、电测及下套管等施工顺利,机械钻速明显提高,钻井液成本降低。

井壁稳定性分析在靖边气田水平井钻井设计中的应用

井壁稳定性问题(即井壁坍塌破裂)会引起系列严重的井下卡钻井漏等事故。靖边气田在钻井过程中,钻遇的地层当中存在多煤层,井壁稳定性问题十分突出,在该地区水平井钻井设计当中进行井壁稳定性分析有着重要的意义。分析了井壁围岩应力分布规律并建立地层坍塌(破裂)压力计算模式,根据库仑-摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,计算井壁坍塌(破裂)压力与钻井液安全密度窗口。通过实验研究分析煤层坍塌压力和破裂压力随井斜角、方位角变化规律,提出合理的方位角优选方案,指导水平井钻井方案设计。

页岩水化扰动损伤试验及统计损伤模型研究

页岩水化扰动是对井壁围岩孔隙结构产生不同程度损伤,劣化其力学性质,降低井壁安全稳定性。采用核磁共振技术和三轴压缩试验对不同浸泡时间的岩样体变和力学性质进行测试与分析。研究结果:(1)通过T_(2)能谱信号强度幅值的增长趋势,分析了不同尺度孔隙的转变和扩展规律,揭示了页岩水化损伤破坏的力学机理,并分析了孔隙比和体积膨胀率变化规律;(2)通过页岩抗剪强度和弹性模量随浸泡时间变化曲线,分析了其强度下降的演化规律,揭示了页岩水化具有显著的时效性。(3)基于扰动损伤试验结果,运用损伤力学和强度统计理论,以体积膨胀率作为考察变量,建立页岩水化扰动统计损伤模型,可预测页岩水化扰动损伤演化规律。研究成果对实际工程有重要的指导意义。

CO2泡沫提高原油采收率研究

CO2地下埋存起到减排作用，还能提高原油采收率。综述了CO2驱技术和泡沫驱技术在国内外的应用和研究进展，分析了CO2驱油机理和CO2泡沫驱油机理CO2泡沫驱集中了CO2驱和泡沫驱的双重优点，在提高原油采收率和CO2地下埋存方面有着巨大的应用前景：

围压作用下不同裂隙位置复合岩裂纹演化研究

【目的】为了揭示围压作用下预制单裂隙位置的改变对缺陷复合岩样特征应力以及裂纹扩展规律的影响,【方法】采用PFC2D软件并结合室内相似岩样试验进行分析,通过室内试验结果标定细观参数从而建立离散元模型,并对离散元模型进行三轴压缩试验分析单裂隙缺陷复合岩的裂纹演化规律。【结果】结果显示:围压的增加会使岩样的各项特征应力均有所增长。岩样峰值应力和损伤应力随围压增加呈线性关系,起裂应力随围压增加呈现出先突增后变缓的增长趋势。裂隙位置的改变对岩样特征应力的削弱程度明显不同。当位于结构面时,对起裂应力和损伤应力的削弱程度最高;当位于大理岩中时,对峰值应力的削弱程度最高。裂隙位置也对岩样内裂纹的萌生、扩展与贯通方式产生明显差异。当位于砂岩和结构面时,裂隙尖端产生的剪切裂纹向主应力方向扩展直至贯通导致岩样破坏;当位于大理岩时,裂隙尖端向主应力方向扩展的剪切裂纹以及砂岩部分产生的剪切裂纹聚集带两条主裂纹导致岩样破坏。【结论】结果表明:采用“试错法”标定建立PFC2D离散元模型模拟岩样三轴压缩试验,所得到的岩样裂纹演化规律与实际试验一致,对实际工程具有指导意义。

共面双裂隙对砂岩力学性质和破坏特征的影响

鉴于岩体内部缺陷对其力学性质和损伤断裂破坏有显著影响的问题,通过单轴压缩试验和DIC技术,分析了共面双裂隙类砂岩试样裂隙倾角和岩桥长度对岩石力学性质和破坏的影响。结果表明,随裂隙倾角变化,岩样峰值应力和弹性模量均有明显的变化趋势,相比于岩桥长度,裂隙倾角对岩石的力学性质影响更为显著;随裂隙倾角增加,岩样破坏时表面裂纹数量、主破坏裂纹和表面剥落数量均有减少,掉块面积却有明显增加,而随岩桥长度增加,裂纹扩展和剥落掉块特征基本相同;在裂纹扩展过程中,岩桥的贯通与裂隙倾角和岩桥长度均有关系;在低裂隙倾角时,岩样破坏模式以张拉破坏裂纹为主;随裂隙倾角增加,表现为由张拉破坏裂纹向剪切破坏裂纹转变形成了拉—剪混合破坏模式;同时,随岩桥长度增加,岩桥越难以贯通,裂纹扩展破坏则又由拉—剪混合裂纹向张拉裂纹转变。

单裂隙分布对复合岩样力学性质和扩展破坏的影响

在富存复杂裂隙的层理岩体中,裂隙分布对其力学性质及损伤破坏具有显著影响。以由类砂岩和类大理岩组成的复合裂隙岩样为例,采用单轴压缩试验和DIC技术,分析裂隙位置和裂隙倾角对岩样力学性质和破坏的影响。结果表明,岩样的力学性质随裂隙位置依次从大理岩、交界面到砂岩的改变及裂隙倾角的增加呈增加趋势。裂隙位置对岩样破坏影响为当裂隙在大理岩中时,初始裂纹易为砂岩中的远场裂纹,表面剥落在砂岩和大理岩中均有发生,但砂岩处破坏更明显,易发生“H形破坏”;当裂隙在交界面和砂岩时,易为砂岩处裂尖产生的翼裂纹、反翼裂纹,剥落现象只发生在砂岩处,分别易发生“1γ形破坏”和“y形破坏”;同时,初始裂纹产生对应的应力应变水平σ、ε随裂隙位置由砂岩、交界面到大理岩的改变依次提高。裂隙倾角对岩样破坏影响为α=90°时裂尖不易起裂,α=45°时裂尖易起裂;在相同裂隙倾角下,裂隙位置相同时α=90°的σ、ε最大,α=0°、45°时最小;α=0°时均发生“H形破坏”,α=90°时均发生“y形破坏”。研究结果对实际工程建设和设计具有指导性意义。

水平井压裂裂缝拟三维延伸数学模型研究

对于低渗水平井，水力压裂是一种有效的增产措施。而裂缝几何模型是水力压裂设计的关键问题之一，由于二维压裂模型假设裂缝高度是恒定不变的常数，往往计算的结果跟实际有很大的差距。针对二维压裂模型的不足，进行了拟三维压裂模型的研究，建立了一套新的裂缝拟三维延伸模型，并且对建立的数学模型进行了求解。

单轴压缩条件下类大理岩裂纹起裂特性与扩展规律

在岩体工程中,裂隙构型属性对新生裂纹起裂和扩展规律、破坏模式及力学行为都有着显著影响。以预制含单裂隙类大理岩为研究对象,结合室内单轴压缩试验与PFC数值模拟试验,针对不同裂隙长度和倾角岩样的起裂、扩展、破坏及力学特性进行研究。结果表明:(1)岩样破坏模式主要受裂隙倾角控制,破碎程度主要受裂隙长度控制。(2)岩样加载变形过程中的起裂应力、损伤应力和峰值应力随裂隙倾角的增加而增加,随裂隙长度的增加而减小;裂纹起裂角随裂隙倾角的增大而减小。(3)裂纹的起裂特性为,在低裂隙倾角(即α<45°)时,裂纹从离预制裂隙中心有一定偏移处开始起裂;在高裂隙倾角(即α≥45°)时,裂纹从预制裂隙的尖端开始起裂,最终形成“弥散式”分布。(4)裂纹扩展规律主要以剪切裂纹为主,在低裂隙倾角(即α<45°)时,裂纹的扩展有明显的聚集带形成;在高裂隙倾角(即α≥45°)时,裂纹聚集带逐渐弱化,朝着“弥散式”方向扩展。研究成果对合理评价岩体结构和设施的安全稳定性具有重要的理论意义。

冻融循环作用下石灰改性黄土的力学特性试验研究

对石灰改性黄土进行击实试验,得到改性黄土的石灰掺量分别与最优含水量和最大干密度的变化规律。同时在冻融循环作用下,利用三轴剪切仪对石灰改性黄土进行固结排水剪切试验,以此研究冻融循环下石灰改性黄土的力学特性。结果表明:随石灰掺量增大,最优含水量也逐渐增大,最大干密度却呈减小的趋势。不同石灰掺量下,冻融循环后改性黄土的应力应变关系曲线随冻融循环次数的增加由弱硬化型向弱软化型过渡,最后趋于强软化型。随冻融循环次数的增加,破坏强度呈下降趋势,石灰掺量为6%且冻融次数10次时,围压越大,破坏强度衰减率越小;石灰改性黄土的黏聚力随冻融循环次数的增加而降低,最终趋于稳定,而内摩擦角几乎保持不变。石灰掺量一定时,随冻融循环次数增加,结构性参数减小,且变化趋势不大;冻融循环次数一定时,随石灰掺量的增加,结构性参数呈减小的趋势;同时,随着围压不断地增大,结构性参数也呈减小趋势,结构性参数与轴向应变关系曲线随着围压的增大由强软化型向弱软化型过渡。

非饱和石灰改良黄土的渗水系数预测

针对黄土地区大部分黄土处于非饱和的状态,采用石灰改良非饱和黄土以解决非饱和黄土渗透性的问题。利用非饱和固结仪测得压实黄土和石灰改良黄土的土水特征曲线,采用Van Genuchten模型对试验数据进行拟合,同时测得饱和压实黄土和石灰改良黄土的饱和渗水系数,基于测得的土水特征曲线,采用Childs&Collis-George预测非饱和石灰改良黄土的渗水系数的模型,得到非饱和石灰改良黄土的体积含水率以及基质吸力和渗水系数之间的关系曲线,并通过微观结构来分析验证其机理。结果表明:压实度对非饱和石灰改良黄土土水特征曲线影响明显,压实度越大,进气值越大;石灰改良黄土的饱和渗水系数小于压实黄土;同一压实度,非饱和石灰改良黄土的渗水系数随体积含水率的增大而增大,随基质吸力的增大,呈先迅速减小后趋于平衡的趋势,吸力一定时,压实度越大,非饱和渗水系数越小;且渗水系数与基质吸力可用幂函数表示。为石灰改良黄土地基和路基等工程提供数值计算基础和理论支持。

增湿-冻融劣化原状黄土结构强度试验研究

黄土结构强度是由内部颗粒的空间构型而产生的一种胶结性的联结强度。该强度极易受外界环境的扰动,如增湿、冻融等,引起体积和孔隙变化,削弱黄土的结构强度,进而又会影响路堤、边坡、护栏等黄土构筑物的稳定性。本文选取陕西临潼Q3原状黄土为研究对象。首先,通过室内模拟增湿和冻融循环作用,分析不同含水率和冻融循环次数下黄土的体积和孔隙的变化规律。其次,通过侧限压缩试验数据绘制出含水率和冻融循环次的关系曲线,并得出黄土在增湿和冻融情况下的压缩变形特征。最后,依据该关系曲线定义黄土结构强度、剩余结构强度,和劣化因子等概念,采用数理统计方法拟合出三者之间的数值表达式,并应用本试验数据计算出所有工程作业对黄土的扰动劣化值,从而得出在增湿和冻融作用下的原状黄土结构强度的劣化规律。

基于核磁共振的岩石孔隙扰动演化规律分析方法

岩石在外界各种扰动作用下内部孔隙结构将发生不同程度变化,轻则引起局部裂纹扩展而降低其力学性能,重则引起地下岩石结构或设施失稳破坏。采用核磁共振技术(NMR)分析岩样在离心试验前后T_(2)能谱分布规律,提出一种考察岩石孔隙演变量化分析方法,并以页岩孔隙结构的水化扰动演化为例进行分析。结果表明,通过核磁共振弛豫理论,分析了岩石横向弛豫时间T_(2)与孔径半径r之间的关系,并根据T_(2)能谱分布图制定一种孔隙分类方法,可分析岩石内部孔径分布规律。通过饱和岩样和离心后岩样T_(2)能谱图对比,建立了T_(2)能谱面积与孔隙体积之间的关系,并推演出基于核磁共振试验数据来求取孔隙比的计算方法。利用该方法考察页岩水化扰动作用下各类孔隙结构的演变量化规律及孔隙率和体积变化规律,揭示页岩水化扰动损伤的深层机理。该试验方法为考察其他扰动因素引起孔隙结构演化规律提供了一种新路径。

增湿-冻融劣化原状黄土的结构强度模型

黄土结构强度是由内部颗粒的空间构型而产生的一种胶结性的联结强度。该强度极易受外界环境的扰动,如增湿、冻融等,引起体积和孔隙变化,削弱黄土的结构强度,进而会影响路堤、边坡、护栏等黄土建筑物的稳定性。首先,通过利用压缩曲线定义黄土结构强度、剩余结构强度和损伤变量等概念,并从深层机理上阐述了损伤变量可表征黄土结构强度劣化过程。其次,基于Weibull分布和损伤力学应变等价性假设,建立了以体积膨胀率作为考察变量的黄土增湿统计损伤模型和增湿-冻融循环耦合统计损伤模型,损伤演化函数及黄土结构强度统计损伤基本方程,并在试验数据的基础上,确定了模型参数。最后,取西安北郊某基坑对黄土统计损伤模型进行验证,与试验吻合性较好。研究成果能方便指导工程设计和现场施工。