页岩气储层多期构造应力场反演与裂缝演化

川南泸州区块五峰组—龙马溪组的页岩气蕴藏量大,构造运动使地应力局部集中,从而引起裂缝和断层的产生,对页岩气的勘探开发有较大影响。为了优选页岩气勘探区,采用地震综合资料、古构造图和岩石力学参数测试等方法,运用神经网络算法和地质力学建模方法,对研究区多期古构造应力场进行反演,并对应力影响下的储层裂缝发育规律进行预测。研究结果表明:采用数值模拟和神经网络算法,可以进行多期构造作用下的地应力场反演。多期构造运动使地应力发生调整变化,地层背斜部位应力较为集中,背斜核部受到强烈构造作用而发生破裂,应力逐步释放;多期构造运动使储层岩石承受的应力逐步变化,易出现破裂带而形成断层,应力逐步减小;原有断层周边裂缝发育较为强烈,易出现应力衰减区域,从而出现多而短的小型裂缝。现今应力场受多期构造运动综合影响,分布较复杂,裂缝发育规律性不强,对页岩气钻井、开发等影响较大。研究成果对深层页岩气的勘探开发具有一定的指导意义。

压缩荷载下泥岩裂缝演化规律的CT试验研究

裂缝的演化与空间展布规律是影响泥岩盖层密闭效果的关键因素。为研究泥岩失稳破坏过程中裂纹的萌生、扩展和汇集贯通等演化规律,针对龙马溪组泥岩进行了单轴压缩下的同步CT扫描试验,通过裂纹面积的变化特征及裂纹结构的分形特性,探讨了不同加载水平下裂纹的演化规律,从细观尺度揭示了泥岩裂纹演化与宏观变形特性的关系。研究结果表明:泥岩CT图像灰度频率及裂纹面积的变化均可反映裂纹的演化特征。荷载水平(即当前荷载与峰值荷载之比)为0~20%时,裂纹面积迅速增加,裂纹开始萌生,但由于受到闭合效应的抑制,相对并不活跃;荷载水平(当前荷载与峰值荷载之比)为20%~65%时,裂纹面积变化不大,裂纹萌生效应和闭合效应同时进行,且作用大致相抵,泥岩进入稳定承压阶段;荷载水平为65%~85%时,裂纹面积陡然增加,裂纹进入扩展及汇集贯通阶段,而荷载水平为65%时的突然跳跃,表明裂纹从萌生闭合到扩展过渡具有突发性和瞬时性。随着荷载的继续增加,泥岩内部结构呈复杂化、混乱化的变化趋势,且裂纹从外向内逐渐贯通。裂纹分形维数呈现的增长―下降―再增长―再下降的波状变化规律,是裂纹萌生、闭合、扩展和归并等相互转化的结果。

基于耗散体系的混凝土裂缝演化熵变研究

基于耗散体系特性,结合信息熵理论与能量法,对混凝土裂缝各个阶段的能量分布状态进行研究.建立起裂、裂缝稳定扩展及裂缝失稳破坏阶段熵变函数,并推导单元损伤程度公式,用以判断混凝土是否起裂和裂缝所处阶段;同时分析温差和荷载作用下的能量分布,建立影响混凝土裂缝演化的双因素熵值函数.利用有限元软件Midas/FEA数值模拟两跨连续梁的开裂过程,并与文献分析结果进行对比.结果表明熵变函数能很好地描述混凝土裂缝的演化规律.

含结构面相似材料水力裂缝演化的实验研究

结构面广泛赋存于煤系中,是影响煤岩水力压裂效果的关键因素之一。调节结构面制作时间和充填材料类型,制作不同结构面类型的煤岩试件,并开展水力压裂物理实验,探究结构面类型与注入流量对水力裂缝延伸的影响及作用机制。结果表明:当注入流量为50 mL/min时,纯样试件(无结构面)的破裂压力高于含结构面试件的破裂压力,延时结构面制备间隔时间对试件破裂压力的影响很弱,调整结构面的充填材料后试件破裂压力最大降低28.79%;随着注入流量的提高,充填材料为云母,水泥试件破裂压力、声发射振铃计数峰值增大,压力上升阶段的持续时间显著缩短,水力裂缝在结构面处的延伸模式由沿结构面延伸逐渐转向沿最大主应力方向延伸。结构面类型与注入流量对水力裂缝在结构面处延伸模式的影响,主要是由于改变了水力裂缝延伸至结构面时结构面上的应力状况,可以通过理论分析预测水力裂缝与结构面的交叉延伸模式,根据结构面上应力状况,通过调节注入流量调整水力裂缝的延伸方向。

三趾马红土失水收缩裂缝演化规律研究

黏性土失水收缩开裂对人类工程活动影响显著。通过设计室内试验监测装置,对重塑三趾马红土开展干燥脱湿试验,并运用数字图像定量处理技术获得其干缩裂缝演化的动态定量数据,发现其裂缝演化规律与传统规律(裂缝面积、平均宽度在干燥过程中始终增长,最终趋于稳定)有所不同,表现为试样裂缝在干燥中期出现收缩现象,呈现裂缝的自愈性。随后提出裂块理论深入分析了此现象的产生机制,并引入愈合度概念,研究了不同初始含水率下试样裂缝的愈合规律,结果表明:(1)初始含水率对试样裂缝愈合度影响显著,初始含水率越低,试样裂缝越早开始愈合且最终愈合度越大;(2)干密度1.7g/cm^3的试样在40℃脱湿条件下,试样最终愈合度与初始含水率呈良好的线性关系。

土样厚度对橡胶加筋膨胀土裂缝演化规律的影响研究

膨胀土具有多裂缝性的不良工程特性,对边坡等膨胀土地区工程具有潜在威胁。再生橡胶加筋膨胀土(ESR)对膨胀土动力、静力以及胀缩性有良好的改良效果。膨胀土的裂缝演化形态会受到土样厚度的影响,本文使用橡胶加筋膨胀土,对照素膨胀土探究橡胶粉末对膨胀土裂缝演化的影响与ESR裂缝的厚度效应。试验共设计未添加橡胶素膨胀土与ESR各4组不同厚度试样展开研究,结果如下:(1)膨胀土自然干燥过程含水率可分为3阶段变化,ESR的含水率变化更为迅速;(2)膨胀土的开裂过程存在明显厚度效应,ESR的厚度效应相较更不明显,裂缝演化更具有均匀性;(3)膨胀土开裂过程中的裂缝总长度与总面积受厚度效应影响严重,橡胶加筋可以约束膨胀土裂缝长度与面积并减少不同厚度样品间差值;(4)膨胀土裂缝发育的分形维数最终在1.4~1.5之间,不同厚度橡胶加筋膨胀土的分形维数变化更为接近。

湿热-疲劳作用下水性环氧树脂桥梁混凝土裂缝演化

为探索湿热地区桥面板混凝土裂缝结构的演化规律,设计了湿热-疲劳耦合加载试验,借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和Image-Pro Plus软件,分析了荷载单因素及湿热-疲劳耦合作用下桥面板混凝土裂缝结构参数的变化规律,揭示了混凝土细观裂缝的演化过程和水性环氧树脂混凝土的改性机理。结果表明:在荷载单场作用下,裂缝面积密度随作用次数单调增加,裂缝沿长度方向延伸和闭合交替变化,裂缝宽度则呈压缩和扩张交替变化;在湿热-疲劳耦合下,混凝土细观裂缝结构演化过程为压缩变形、扩展和贯通3个阶段。水性环氧树脂混凝土组裂缝面积密度、最大长度和宽度相比基准组分别降低了23.44%、33.19%和26%,分形维数减小了0.017。水性环氧树脂在混凝土内部形成的柔性聚合物膜桥联于微裂缝之间,能有效抑制混凝土细观裂缝的延伸与扩展,提高桥面混凝土耐久性。

不同破裂角岩石的力学特性和裂缝演化规律研究

天然岩石的形成存在大量裂缝、孔洞和其他的破裂情况,而这对岩石的力学性能和裂缝演化有着重要的影响,利用PFC2D实现单轴压缩条件下不同角度破裂岩石中裂缝的扩展和贯通全过程及其变化规律。结果表明,破裂角度对岩石的应力应变、弹性模量、峰值强度、峰值应变和声发射(AE)均有影响,随着破裂角度的增加,微裂缝数量先减少后增加;在相同破裂角度下,裂缝以拉裂缝为主,剪切裂缝相对较少;当破裂角度小于90°时,拉伸和剪切裂缝主要集中在破裂的两个尖端并沿加载方向扩展;当破裂角度为90°时,拉伸和剪切裂缝不集中在破裂尖端。

多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律

细观裂缝的演化与空间展布规律是影响路面混凝土耐久性的关键因素.为明确寒冷地区路面混凝土在实际工作环境下结构内部微裂缝的萌生、扩展、压缩等演化规律,基于多场疲劳试验,针对路面混凝土内部结构进行了SEM、CT扫描及图像分割,通过对比分析荷载单场、荷载-冻融双场及荷载-冻融-干湿循环三场耦合下的裂缝面积密度、平均裂缝宽度、最大裂缝长度及盒分形维数特征,从细观尺度揭示了不同荷载水平、耦合方案下微裂缝的动态损伤发展规律.结果表明:单荷载作用下,随荷载次数增加,最大裂缝长度呈萌生-闭合-延伸交替变化,宽度表现为压缩-扩张交替变化,分形维数先增后减;荷载-冻融双场耦合引发的结晶膨胀应力促使裂缝面积密度及最大裂缝长度单调增加,80%荷载水平时,混凝土在较小裂缝长度、宽度下便发生疲劳破坏;荷载-冻融-干湿循环三场耦合下,附加干缩应力沿裂缝方向产生收缩应力,在垂直裂缝方向产生压缩应力,促使裂缝沿长度方向延伸,宽度减小,同时伴随更多微裂缝成核.

煤岩体压裂裂缝演化混沌特征研究

准确地描述煤岩体压裂裂缝的形成与演化规律对煤层气井开采具有重要意义.本文以煤岩体压裂裂缝演化过程的微裂缝演化数目、裂缝尖端区域的径向应力与周向应力作为描述裂缝演化的特征指标,引入关联维数、最大Lyapunov指数和Ko1mogorov熵作为裂缝演化系统的混沌特征量,计算与描述煤岩体压裂裂缝的损伤演化过程.以黑龙江省某一煤岩开采区块岩体作为研究对象,计算分析煤岩体压裂裂缝的形成的混沌特征,为后续煤岩体压裂裂缝形成规律的研究提供了新的思路.

塔里木盆地巴楚凸起H气田奥陶系裂缝主控因素及演化序列研究

塔里木盆地巴楚凸起H气田奥陶系储层是低孔低渗裂缝型碳酸盐岩储层,裂缝系统作为储层渗流通道,其空间分布和主要控制因素复杂,具有多期次叠加和演化的特征。文章采用岩心描述、镜下观察、成像解释等手段分析H气田奥陶系碳酸盐岩裂缝发育特征,明确裂缝主要控制因素,建立了裂缝演化序列。结果表明:巴楚凸起H气田奥陶系以剪切缝为主,张性缝次之,张剪缝最少,裂缝发育的主要控制因素为断层、褶皱及岩性等,与断层相关的裂缝主要发育在距断层460 m的范围内;地层变形程度越强,裂缝越发育;裂缝发育程度还受岩性的控制,灰岩的粒径或晶粒越大,构造裂缝越发育。根据已有碳氧同位素测试研究成果,并结合岩心观察发现:H气田奥陶系构造裂缝至少经历了三期演化活动,分别为加里东运动中期少量低角度北东东向和北北西向剪切缝发育期,海西运动晚期中—高角度北西西向张性缝和北东东向、北西向张剪缝以及南北向、北东向中—高角度剪切缝发育期,喜马拉雅运动早期大量高角度北东东向、北北东向剪切缝发育期,主要造缝期为喜马拉雅运动早期。

盾构隧道衬砌结构裂缝演化规律及其简化模拟方法

裂缝是盾构隧道衬砌结构的主要病害之一,裂缝的存在严重地影响着衬砌结构的服役性能。为了研究盾构隧道衬砌结构裂缝的演化机制,结合衬砌管片的偏心加载试验,采用多尺度模型模拟了偏心加载过程中衬砌管片裂缝的演化,并对试验和多尺度模型得到的裂缝演化过程进行了对比分析。分析表明:随着加载,裂缝经历了从无到Ⅰ型裂缝的扩展,Ⅰ型裂缝主要沿着径向扩展,最后到Y型裂缝出现;开裂后的混凝土表现为环向径向横观各向同性,衬砌管片力学性能随着裂缝的演化逐渐退化,其退化主要是在环向方向,并且与裂缝特征及其空间位置有关。以此为基础,通过ABAQUS子程序USDFLD来实现衬砌管片环向力学参数随裂缝深度及其空间位置的变化,并将计算结果与多尺度模拟结果进行对比,结果表明提出的简化模拟方法能够简便准确地考虑裂缝演化对衬砌结构力学性能的影响。

低渗砂岩储层裂缝发育及演化特征

随着石油工业的发展,低渗透油气藏所占比例越来越大,低渗透砂岩储层中的裂缝能够起到很好的储集和导流作用,对裂缝的研究具有十分重要的意义。牛庄洼陷牛35断块沙三中发育低渗透砂岩,为主要含油层系,前人对研究区低渗砂岩储层中的裂缝研究较少。运用岩心观察、镜下薄片观测及CT扫描技术对牛35块沙三中低渗致密砂岩储层裂缝的发育及演化规律进行研究,得出牛35块宏观裂缝主要发育低、高角度斜交剪切缝,长度在2~20 cm之间,分布间距大,但整体裂缝密度仅为0.27条/m,裂缝很不发育,难以构成有效的裂缝系统;微观裂缝较发育,包括粒内缝和粒间缝,改善了储层的连通性,有助于油气的储集和运移;与牛104井、河125‑1井相比,牛35井岩石矿物接触关系更加不稳定,胶结程度更低,更容易在荷载作用下产生裂缝,裂缝由上到下呈辫状发育,裂缝体积随着施加荷载的增大呈线性增加。

基于颗粒流的页岩热致裂缝形成机制及数值模拟

基于离散元构建考虑页岩层理特征的颗粒流模型,进而改进微观参数标定方法并对页岩颗粒流力学模型微观参数进行系统标定,利用页岩颗粒流热力耦合模型研究加热方式、天然微裂缝及围压对页岩热致裂缝演化的影响。结果表明:100℃下即可产生热致裂缝,裂缝的宽度和数量随着温度的升高在不断增加后保持稳定;天然微裂缝的倾斜度对热致裂缝扩展存在影响,倾斜角度增大,页岩热致裂缝的延伸性变弱;围压在10 MPa以下促进页岩热致裂缝生成,10 MPa以上抑制热致裂缝的生成。

浅埋煤层过沟开采覆岩破坏特征及裂隙演化规律研究

浅埋煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征是影响矿井涌水有关系,尤其在地表沟谷区,由于剥蚀作用使煤层埋深减小,为了研究清楚浅埋煤层过沟开采时,上覆岩层的扰动破坏规律与裂隙发育特征,以榆神矿区张家峁煤矿14213工作面的过沟段为研究对象,通过相似材料物理模拟与数值模拟的方法,对覆岩的破坏规律及裂隙发育特征进行了研究。结果表明,煤层开采过程中,顶板覆岩会伴随产生层间离层与切穿岩层的垂向裂隙,回采至60 m时,煤层顶板悬露面积达到极限发生垮落,原有层间离层伴随垮落消失,新出现的层间离层继续向上发展,离层空间与垂向裂隙交替发育,回采至105 m时,垂向裂隙导通至地表,离层结构完全破坏,岩层发生整体下沉。裂缝的动态发育规律是:斜坡裂缝的宽度随着开挖的进行由小变大并趋于稳定,坡脚裂缝的宽度则是由小变大、再变小至闭合,沟底裂缝的宽度由小变大再变小的趋势。地表裂缝的这种演化规律主要与地形和地表应力状态有关。坡肩和斜坡上部,采动裂缝形成后受斜坡拉应力的影响而宽度增大;坡脚采动裂缝形成后受坡脚压应力的影响而宽度变小甚至闭合;沟底采动裂缝形成后受压应力和坡段岩块压实调整宽度变小。

煤岩体压裂损伤突变演化模型的研究

煤岩与其他普通岩石的力学性能明显不同。为了描述煤岩体压裂岩体突变形成裂缝以及裂缝的扩展问题,基于突变理论定义了损伤变量,并建立了岩体突变过程的能量释放计算模型。基于能量守恒原理,建立了突变后微裂缝扩展的能量方程。通过对黑龙江省鸡西煤矿张晨矿区西三采区煤样在不同压裂阶段缝内流体净压力和微裂缝扩展规律的观察分析,得到由于岩体物性参数不同微裂缝开始破裂的时间也不同,为后续裂缝演化内在混沌特征的研究提供了依据。

混凝土裂缝压电主动传感识别仿真方法研究

采用有限元软件ABAQUS建立含不同裂缝工况的压电-混凝土梁机电耦合模型,通过安装在混凝土梁设定位置的压电激励器输入激励信号并实时采集反馈信号,计算应力波信号值与小波包能量值,分析信号值和能量与损伤工况间的内在关系。结果表明,在混凝土梁跨中垂直裂缝和支座处斜裂缝工况下,压电应力波的信号值随裂缝深度的增加而减小;裂缝宽度增至2~3 mm时信号值会有所减小,随后裂缝宽度增加对其影响不再明显。当在裂缝演化方向上的深度达到梁体纵向中心轴高度时,应力波接收信号衰减明显。将信号相对能量值作为损伤程度因子,有利于分析应力波在病损混凝土内部的传播与衰减机理,能有效检测混凝土裂缝损伤程度。

成像测井裂缝自动识别元胞自动机方法研究

针对成像测井裂缝自动识别任务,提出了一种基于元胞自动机模型的图像识别算法。以成像测井图像中裂缝的灰度值较大并且裂缝基本连续为依据,通过制定免疫规则建立了一个基于元胞自动机模型的成像测井裂缝自动识别模型,基于元胞自动机的局部规则以及其并行计算的机制,进行成像测井裂缝的自动识别。该模型原理简单,并且易于实现。实验结果表明,通过指定的免疫规则,能够达到很好的裂缝识别效果。

主干路和次干路路面裂缝调研及机理研究

文中对乌鲁木齐市10条道路路面的裂缝表观、3条道路路面的裂缝切面进行观测,对裂缝病害的分类、分布、形态、影响因素及发生和演化机制进行了分析。结果表明,乌鲁木齐市的路面病害以规律性间距的横向裂缝为主,部分路段与连续的纵向裂缝垂交形成网格裂缝。纵向裂缝的路面结构内部破损程度高于横向裂缝;横向裂缝属于因沥青低温品质不佳和过度老化形成的温缩裂缝,荷载及雨水加速其往下发展;纵向裂缝一般沿轮迹带连续分布,主要由混合料抗剪不足或强度不足引起;而网裂是路面结构整体强度不足的表征。

盐间超压裂缝形成机制及其页岩油气地质意义——以渤海湾盆地东濮凹陷古近系沙河街组三段为例

以渤海湾盆地东濮凹陷古近系沙河街组三段盐间富有机质页岩为例,综合运用薄片鉴定、扫描电镜、流体包裹体分析、测井资料分析、地层压力反演等手段,对盐间页岩超压成因及超压裂缝的发育特征、形成演化机制和期次及页岩油气地质意义进行研究。结果表明,东濮凹陷盐湖盆地普遍发育超压,盐膏岩层封堵及欠压实作用、生烃增压作用、黏土矿物转化脱水作用、断层封闭作用是形成超压的4个主要因素。盐间超压裂缝规模较小,平均长度356.2μm,平均地下开度11.6μm,但密集发育,平均面密度0.76 cm/cm^2,且多伴随油气充注,有效性好。超压缝主要形成于距今25~30 Ma和距今0~5 Ma的两次油气大规模充注时期。盐间超压裂缝对页岩油气具有储集空间和运移通道双重作用,对孔隙度的贡献率为22.3%,对渗透率的贡献率为51.4%,可连通多尺度裂缝系统,大幅改善储集层物性。在开发过程中,盐间超压裂缝可影响水力压裂缝的延伸和形态,形成复杂的高渗透性体积缝网,提升水力压裂效果,增加页岩油气产能。