月球和地球上玄武岩浆冷却速率差异的数值模拟

月球表面约有17%的区域被玄武岩覆盖,地球表面也有70%左右的面积为岩浆喷发至地表在大气或海水中冷凝的玄武岩.但月球与地球不同的是,月表大气非常稀薄,岩浆表面热环境主要由热辐射控制.本文研究了在地球与月球表面不同冷却机制影响下,玄武岩浆冷凝过程的差异.本文仅模拟分析层状静止的熔岩体在地球空气对流冷却和月球辐射冷却两种不同条件下的冷凝过程.通过数值模拟熔岩的冷凝过程,发现月球辐射边界条件下熔岩表面的冷却速率是地球对流边界的500倍以上.冷却速率控制着晶体生长形态及矿物成分,月球辐射冷却条件下熔岩表面到5mm深度处快速淬灭成玻璃体,而地球熔岩浅表则多冷凝为以单斜辉石为主要矿物的玻璃体玄武岩.对熔岩冷却的影响差异主要集中在表面0.5m范围内,更深部的冷却速率则无显著差异.

致密碳酸盐岩气藏裂缝预测及主控因素分析——以四川盆地G气田震旦系灯影组为例

四川盆地G气田致密碳酸盐岩储层裂缝发育控制因素认识不清。考虑岩性弹脆性差异,分析岩心单井裂缝发育特征和裂缝形成期次,进行应力场数值模拟,建立应力场—能量—裂缝参数计算模型;结合多期裂缝叠加算法,预测G气田灯影组储层裂缝,分析裂缝发育主控因素。结果表明:G气田灯影组储层裂缝具有多期性与多样性,以高角度、半充填张剪缝为主。研究区中部褶皱顶部及断层影响区是碳酸盐岩裂缝优势发育带,裂缝密度为1.10~2.30条/m,开度大于1.5 mm;泥岩裂缝发育程度弱,裂缝密度低于0.50条/m,开度小于0.4 mm,泥岩隔层裂缝发育总体低于碳酸盐岩层的,且规律性差。裂缝发育符合断层—褶皱—裂缝共生模式。岩性、断层与构造形态共同控制碳酸盐岩储层裂缝发育规模与分布范围。该结果有助于提高同类型致密碳酸盐岩储层裂缝预测效果,改进油气藏开发方案。

花岗岩侵位后的热应力时空演化及其影响因素

花岗岩与岩浆热液型矿床、油气成藏等有密切的成因关系。高温岩浆侵位到较冷的围岩中会形成岩浆热场和热应力,但热应力的大小和其影响范围尚缺乏系统研究。随着岩浆热耗散、与周围地层达到热平衡后,热应力会逐渐消失,因而数值模拟是定量研究岩浆热应力的常见方法之一。以往模拟岩浆热应力时往往采用岩石在常温下的线性热膨胀系数,但这与高温下岩石线性热膨胀系数存在较大差距。文章利用FLAC3D软件模拟花岗质岩浆侵位至上地壳范围内引起的热应力。求解物理方程包括热传导方程与线性热弹性本构方程,其中热场可通过温度差和线性热膨胀系数改变应力场,但应力场的变化不影响热场(即热场与应力场的单向耦合)。通过一系列数值模拟实验考察围岩岩性(花岗岩或碳酸盐岩)、杨氏模量、热学参数和岩浆侵位深度如何影响岩浆在上覆围岩产生的热应力。数值实验结果表明:岩石热传导系数通过传热快慢影响热应力的变化;围岩的杨氏模量越大,热应力也越大;由于花岗岩的平均杨氏模量大于碳酸盐岩,所以围岩为花岗岩时产生的热应力要高于碳酸盐岩;围岩无论是花岗岩还是碳酸盐岩,其在高温条件下的线性热膨胀系数比常温时高约1个数量级,产生的热应力最高可达100 MPa。花岗岩浆侵位后,围岩温度逐渐升高,对应的热应力不断增大;随着与岩浆房距离的增大,热应力不断减小,影响范围为岩浆房上方2 km以内;侵位深度浅的岩浆房冷却较快,其产生的热应力更有利于上覆围岩裂隙的形成和扩展。综合数值模拟结果可知,岩浆侵位所产生的热应力可影响岩体2 km内的应力场,这一局部存在且短瞬的热应力促使围岩破裂,为热液流体成矿提供运移通道或容矿空间。

塔里木盆地库车坳陷白垩系巴什基奇克组致密砂岩力学性质影响因素及其变化规律

为查明塔里木盆地库车坳陷白垩系巴什基奇克组致密砂岩力学特性,结合深层—超深层油气勘探开发的现场问题,采用三轴压缩实验定量研究了围压、流体和加载速率影响岩石力学性质变化的规律,并初步分析其原因。研究结果表明,砂岩试样最大主应力差、弹性模量均随着围压的增大而显著增大,其微观原因在于围压增大使岩石内部质点彼此之间距离缩短,增强了岩石的内聚力,颗粒之间不易离散;砂岩试样经历低围压脆性→脆—韧性转换→高围压韧性变形破裂演化的过程。与干燥砂岩试样相比,纯净水浸泡样、150 g/L溶液浸泡样、250 g/L溶液浸泡样和350 g/L溶液浸泡样弹性模量降低幅度分别为67.71%、61.45%、64.69%和57.32%,纯净水浸泡造成的降低幅度最大,流体矿化度的升高能够减弱岩石力学参数弱化的趋势;晶体表面结晶和双电层厚度变化是上述变化规律的重要控制因素。在较低的加载速率条件时,砂岩试样的最大主应力差、弹性模量和泊松比的值都较小,但随着加载速率的增大增速较快;当加载速率达到一定关键数值之后(本次实验为0.05 mm/min左右),岩石力学参数值增速变缓。

基于“地质-工程”耦合平台的顺北断溶体储层地应力分布规律分析

顺北油田是一种碳酸盐岩断控裂缝-洞穴型储层,该类型油田通常采用水力压裂改造的方式进行开采,以提高储集体的连通性能。在水力压裂过程中,三维地应力场是影响裂缝扩展轨迹的重要因素之一。因此,研究三维地应力场的精细空间分布是水力压裂工艺需要解决的首要问题。针对裂缝-洞穴型碳酸盐岩储集体的水力压裂改造过程地应力场空间分布模拟不精细的问题,开发“地质-工程”耦合平台。该平台可将地质模型转换为适用于AiFrac数值仿真软件的模型,实现了对储层三维地应力场的精细刻画。基于角点网格建立的三维地质模型,采用数值仿真软件进行三维地应力场的模拟,既可以保留储层的复杂地质构造特征,又可以利用数值仿真软件强大的计算能力,实现了地质模型和数值仿真一体化。为了验证所提方法的有效性,基于前期已有的地应力测量数据,对顺北油田三维地应力场进行了分析计算。结果表明:断裂带对地应力场的大小和方向有显著的影响,主要表现在断裂带的规模、倾角、走向以及形态等因素在不同程度上均对地应力状态产生影响。所提出的三维地应力场精细模拟方法可有效研究断溶体储层区域及内部、不同断裂带交汇区三维地应力场分布规律,从而为现场施工工艺参数的选择提供了重要依据。

地质力学模型实验中变形量测方法的应用研究

地质力学模型实验作为一种便捷高效、成本低廉的研究方法,不仅可以将工程的破坏过程直观地呈现出来,而且可以作为了解工程整体力学特征、破坏模式和稳定情况的重要研究手段,在各类岩土工程问题的研究中有着广泛应用。由于地质力学模型材料的变形模量较低,同等应力条件下应变极其敏感,因此模型实验中变形测量显得至关重要。为了提升地质力学模型实验中变形量测的便捷性和准确性,对目前地质力学模型中变形测量的主要方法进行总结分析。结果表明:目前对于模型变形量测的方法主要分为电测式测量方法、光学测量方法和机械式测量方法,其中电测式测量方法主要包括电阻式应变片法和位移计法,光学测量方法主要包括光纤类传感器法、数字图像相关法、光弹性贴片法和云纹干涉法,机械式测量方法主要包括百分表测量法和经纬仪观测法。通过对各种方法工作原理、主要应用案例及优缺点的阐述对比,得出不同方法的主要区别是测量范围和适用范围的差异,其中百分表测量法适用于测量小区域变形;测量内部变形可选择电阻式应变片法及光纤类传感器法;较大区域的变形可选择位移计法及光纤类传感器法;指定点位移可选择经纬仪观测法;全场观测可选择数字图像相关法、云纹干涉法以及光弹性贴片法。该成果可为相关地质力学模型实验的变形测量提供实验参考。

加载条件和粒径对颗粒材料黏结–滑移特征影响的研究

将自然断层中常见的黏结–滑移现象和颗粒材料特性相结合,采用玻璃珠颗粒材料开展室内直剪试验和离散元数值分析,通过改变法向应力、剪切速率以及颗粒粒径,探究了加载条件和粒径大小对颗粒材料黏结–滑移特征的影响。模型试验和数值模拟结果表明:玻璃珠颗粒在受剪状态下发生周期性黏结–滑移,摩擦愈合和黏结–滑移周期是表征颗粒黏结–滑移特性的关键参数;摩擦愈合随剪切速率的增大而减小,随颗粒粒径的增大而增大,而法向应力对摩擦愈合影响较小;黏结–滑移周期和摩擦愈合表现出正相关,黏结–滑移周期随剪切速率增大而明显减小;颗粒间的摩擦咬合作用是影响黏结–滑移行为的重要因素。

复杂构造区全层系地质力学建模及其地质与工程应用

受区域挤压、岩性和构造形态等多种因素的综合影响,复杂构造区具有地应力非均质性和各向异性强、现今地应力场在空间变化大的特征,严重制约了该类地区油气勘探开发进展。为解决复杂构造区地质力学建模难度大、精度低,且现有三维地应力建模方法在复杂构造连片建模中的不准确问题,以库车坳陷博孜大北地区为例,提出了复杂构造区地质体全层系逆向有限元地质力学建模方法,通过对部分起伏较大、跨度大的长条连体背斜迭代扫描,准确建立断层与岩体复杂交切关系,实现了复杂构造区地应力网格建模和误差追溯。明确了博孜大北地区现今地应力分布特征,揭示了博孜大北地区深层储层地应力强非均质性和强各向异性的主控因素,进而通过逆向有限元建模方法明确了钻井过程中产生应力扰动范围。研究结果表明:(1)逆向有限元地质力学建模法是复杂构造区全层系地质力学建模的有效方法,建模结果与实际的勘探开发生产需要吻合度高;(2)明确了盐上岩石力学层结构和浅部高陡地层产状是影响博孜大北地区储层地应力强非均质性和各向异性的关键;(3)逆向有限元地质力学建模法是明确钻井过程中应力扰动范围的有效方法,是保障油气高效勘探开发的重要手段。

支撑剂嵌入对裂缝长期导流能力的影响研究

运用FCES-100长期裂缝导流仪,在国内首次进行了地层岩心的支撑剂嵌入实验研究,考察了不同类型支撑剂、不同铺砂浓度对不同岩心的嵌入程度以及对导流能力的伤害程度。找到了影响支撑剂嵌入的主要因素和规律,并提出了克服支撑剂嵌入这一不良影响的有效方法。通过实验发现由于支撑剂的嵌入会使导流能力产生很大程度的下降;铺砂浓度越大,嵌入对导流能力的伤害程度越小;只有当闭合压力达到一定值时,嵌入的伤害才表现出来;铺砂浓度对导流能力的影响也很大,铺砂浓度增大一倍,导流能力将成数倍增加;在相同地层条件下,支撑剂在砾岩中的嵌入最为严重,泥岩其次,粉砂岩最小。文中还根据实验结果回归出了导流能力随闭合压力以及随时间变化的关系表达式,可以用来预测支撑裂缝导流能力的衰减趋势,对现场压裂有一定的指导意义。

方解石脉影响岩石力学性能的数值模拟分析

论文通过三轴实验得到峰值应力和杨氏模量随方解石充填缝倾角的变化关系,并基于数字图像处理技术需考虑的岩石材料参数非均质性、基元划分精度等条件,采用岩石真实破裂分析系统RFPA2D进行数值模拟分析,构建了含方解石脉填充的砂岩模型,探究了方解石脉不同生长角度、宽度和岩样非均质度对岩体破裂模式的影响。研究结果表明:方解石脉生长角度越趋于施加载荷方向、宽度越大、非均质度越高,岩石稳定性越低,破裂更快更彻底;由于库车坳陷克拉苏构造带的巴什基奇克组储层密度大、埋深差异大、非均质性强,在构造应力作用下生成的裂隙为其提供了良好的油气储运条件,数值模拟得出破裂模式合理解释了该区油气藏资源丰富的原因。

基底先存构造对裂陷盆地断层形成和演化的控制作用规律

针对基底先存构造对裂陷盆地断层控制作用研究中存在的问题,应用脆性断裂新理论——"不协调性准则"来阐述、分析裂陷盆地基底先存构造控制断层形成和演化的力学机理,确定基底先存构造活动性的变化规律,探讨并初步确定基底先存构造对裂陷盆地断层形成和演化的控制作用具有如下规律:(1)先存构造(特别是先存断裂)优先活动,这是基底先存构造能控制沉积盆地断层形成和演化的根本原因。(2)先存构造对盆地断层控制作用的强度决定于其活动性,它由先存构造的产状、力学性质和应力状态决定,可以用先存构造活动性系数(fAS)来定量描述。(3)受基底先存断裂控制的断层发育的位置和延伸方向(走向)、形成次序、继承性特征,以及分布规模等都表现出显著的规律性。(4)与伸展方向垂直,且与σ1夹角为45°-(/2)的基底先存断裂对断层的控制作用最强;随着走向与伸展方向的夹角α逐渐变小,以及倾角偏离45°+(/2),对断层的控制作用就逐渐减小。(5)基底先存断裂的规模越大,对断层的控制作用就越强;受大规模基底先存断裂控制的断层往往构成裂陷盆地的构造格架。(6)随着薄弱带抗剪强度的减小,基底先存薄弱带发生破裂的可能性不断增大,对断层的控制作用不断增强;而相对基底先存断裂而言,其影响程度则相对偏弱。上述认识可以为裂陷盆地地震资料的构造解释提供理论模型,为裂陷盆地断裂系统的形成和演化的深入研究提供理论指导。

山西沁水盆地中、南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨

山西沁水盆地中、南部下二叠统山西组主煤储层现代构造应力场主应力差增大,煤储层渗透率梯度呈指数形式增长,煤储层压力梯度呈对数增长,这种规律主要受控于现代构造应力场主应力方向与煤储层天然裂隙优势发育方向之间的相互关系。这两组方向对于煤储层来说近于平行,对煤储层顶板则表现为近于正交,由此导致主煤储层中天然裂隙处于相对拉张状态,而其顶板天然裂隙处于挤压状态,主应力差越大,相对拉张(挤压)效应就越显著。基于这种规律和控制机理,预测渗透率大于1md的山西组主煤储层可能分布于盆地内的阳城、潞城与沁源之间地带、武乡与左权之间地带以及左权西北方向的局部地区。

由大量的地震资料推断的我国大陆构造应力场

利用多个小地震的P波初动方向数据推断了新疆和西藏部分地区主应力轴的方向.根据以前华北、东部大陆和西南地区的工作结果,对个别地区补充新数据后重新作了分析;加上本文关于新疆和西藏地区的新结果,编制了我国大陆的地震构造应力场方向图.利用Brillinger等的概率模型,估计了用多个地震P波初动方向推断平均P、T轴的误差.讨论了单个大地震震源机制解的P轴与所在地区平均P轴方位角的差异.总结了我国大陆地震构造应力场的主要特征.

中国西部三维速度结构及其各向异性

本文用覆盖中国的358条勒夫面波路径资料,研究了10.45—113.80s范围内中国西部的三维SH波速度结构.结果表明,各构造单元的SH波速度结构均有明显的差别.作为稳定块体的塔里木盆地,壳内重力分异程度较高,上、中、下地壳厚度差别小,壳内无明显的低速层,地壳平均速度比较小;上地幔低速层埋深大且层中速度大;区内横向变化小.构造活动区如天山、青藏高原,其突出的特征是下地壳厚度大且速度大,上地幔盖层速度值相当高.这与西伯利亚、印支板块的挤压有密切的关系.青藏高原东部及其北、东边缘地区壳内存在低速层,上地幔低速层埋深浅,一些地区存在壳幔过渡层.面波各向异性研究表明,青藏高原、天山及印支板块北缘下存在明显的各向异性,以构造边缘地区及上地幔低速层附近最为突出.印度板块、西伯利亚板块与中国大陆间的碰撞引起强大的水平压力和一定的下插作用,是造成青藏高原隆起、地壳增厚、天山隆起的最根本的因素,同时也促成壳幔中辉石、橄榄石的定向排列和物质运移,因而出现明显的各向异性现象.

华北地区三维构造应力场

根据最新的地质构造、地球物理、原地应力测量以及震源机制解资料，建立了华北地区三维构造应力场模型；对华北地区构造应力场的三维图象进行了模拟计算；分析研究了区域构造应力场的总体特征和局部分区特性；并讨论了华北构造块体的动力边界条件、活动断裂构造和地壳物性分区等因素对华北构造应力场的控制和影响．

构造应力场转换与界面成矿

构造应力场转换与界面成矿是成矿作用动力学的关键和核心，它决定着矿床的形成与分布。构造应力场转换表现为不同层次的构造叠加作用和韧－脆性变形的转换，以及同一构造层次不同时期、不同构造部位应力的转换。成矿界面是物理化学条件突变的空间和场所，是成矿流体停积而发生矿质沉淀、富集、成矿之所在，主要表现为岩性、温度、压力、ｐＨ、Ｅｈ等方面的突变性，其力学性质及岩石的物理性质、化学成分是控制矿体形态、产状、规模，矿石组构，甚至矿石成分的重要因素。它们与构造应力作用大多有相关性，而与构造－流体的脉动性及空间分布关系尤为密切。作者在矿石构造多呈张裂状态，而矿脉、矿体及蚀变带多表现为压剪变形性质的地区详细填图成果基础上，探讨了构造－流体脉动规律与界面成矿机制，提出剪压变形构造岩相向剪张变形构造岩相转换而发生金属硫化物成矿作用的新认识。

基于四维动态地质力学的碳酸盐岩储气库承压能力分析

盖层动态密封性和断层动态密封性是储气库的主要评价指标,对储气库的安全运行具有重要意义。针对储气库盖层与断层静态评价体系的不足,以国内华北地区某碳酸盐岩型储气库为背景,结合测井资料开展岩石力学实验,建立岩石力学动静态参数转换模型和储气库四维地质力学模型,反演地质体初始应力场,开展储气库地质体承压能力分析,获得储气库在注采条件下的四维动态应力场信息(三维应力场在时间维度下的信息)。四维地质力学计算结果表明,当前上限压力(47 MPa)下盖层及断层破坏风险较低,当储气库上限压力提高到49 MPa时,盖层及断层仍然没有发生破坏,结合地面压缩机运行能力,确定储气库上限运行压力为49 MPa。四维动态应力场的建立为储气库的提压扩容提供了科学理论依据。

承压水底板突水失稳过程的数值模型初探

利用自行开发的岩石破裂过程渗流与应力耦合分析系统F RFPA2D,对承压水底板破裂失稳过程进行了数值模拟。在这个数值模型中,材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流 损伤耦合迭代来实现。根据模拟结果,分析了承压水底板失稳的机理,对承压水底板的突水部位的预测进行了探讨。得出了与实际基本一致的结果,说明了F RFPA2D作为一种新的数值模拟方法,可以用来研究承压水底板突水问题。

华北克拉通中元古代基性岩墙群形成机制及构造应力场

本文通过研究华北克拉通中部中元古代基性岩墙群的单体形态和分布规律,分析岩墙群形成的力学机制,认为这些基性岩墙群主要是基性岩浆侵位于先存的张性或张剪性破裂中而成。晋北地区和五台—太行山地区的岩墙群主要为张剪性的,吕梁山地区和中条山地区的主要为张性。根据岩墙群的分布规律、侵位方向和力学机制及其与燕辽-中条拗拉槽系之间的关系,认为华北克拉通中部中元古代的区域构造应力场是张性和张剪性构造环境,其主压应力来自燕辽-中条拗拉槽系的扩张。未变形未变质的前寒武纪岩墙群的存在表明前寒武纪华北克拉通已经具有了刚性板块的性质。

黔东南锦屏-天柱地区构造控岩控金特征模拟实验及其力学分析

在前人工作基础上,侧重研究石英脉型金矿床成矿的地质背景,建立了该类型金矿的成矿模式。进而开展三轴温压条件下的成岩成矿实验,构造形变特征及其与成矿物质活化、迁移、富集之间的相互关系的模拟实验。实验结果表明:(1)该区岩石、矿石在高温高压条件下,产生塑性变形(褶皱)和脆性变形(破裂);(2)在变形过程中使成矿物质活化、迁移和富集,形成顺层及穿层的含金石英脉,并在多期多次变形过程中使成矿物质叠加富集;(3)在褶皱(背斜)轴部形成富矿体。模拟实验结果与所建立的该类型金矿构造控矿和成矿模式非常相似。实验资料的力学分析表明,由轴压所产生的构造附加压力大大地提高了实际围压,从而促进了岩石流变、变形和物质的迁移,由此促进含矿流体向构造附加压力小的部位定向迁移、充填和成矿。构造附加压力是促进该区金成矿的重要动力条件。