超深碳酸盐岩储层岩石三轴压缩实验与数值模拟研究

为了研究超深碳酸盐岩储层的岩石力学特性,文中以取自埋深约8350 m的顺北油气田奥陶系储层碳酸盐岩真实岩样为研究对象,按热处理与无热处理,在110 MPa围压范围内进行三轴压缩实验,从而得到高围压下的岩石力学特性。实验结果表明:高围压下,岩石表现强烈的塑性流动,加热处理会使得岩石强度降低,但随着围压等级的升高,不同温度下的岩石峰值应力又趋于一致。基于Drucker-Prager屈服准则,发展了塑性硬化参数与等效塑性应变之间的关系,对2种温度下的岩石三轴压缩实验进行数值模拟,结果很好地再现了三轴压缩应力-应变曲线。作为拓展应用,采用所建立的弹塑性本构对单条裂缝压裂过程进行模拟,发现在本岩样所在的储层条件下,压裂过程中的裂缝扩展不受岩石塑性的影响,这一点与裂缝闭合过程完全不同,这为目标储层压裂改造提供了有意义的借鉴。

大理岩等围压三轴压缩全过程研究Ⅰ:三轴压缩全过程和峰前、峰后卸围压全过程实验

为了进行岩爆现象的分析，对大理岩进行等围压三轴压缩和峰前、峰后卸围压试验，得到三轴压缩全过程 和峰前、峰后卸围压全过程，对此过程中的强度和变形特性进行了较为系统地研究。

三轴应力作用下煤渗透率变化规律实验

通过变化的围压和孔隙压力的作用 ,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验 ,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律 ;并根据大量的实验数据 ,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程。研究结果表明 ,该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析 ,使邻近层 (采空区 )

考虑加载速率的级配碎石三轴压缩强度特性

利用三轴试验进行碎石基层的力学性能研究,探讨加载速率对碎石基层静力学性质的影响,分析不同加载速率对级配碎石弹性模量、峰值强度及残余强度的影响,建立加载速率与弹性模量、峰值强度及残余强度之间的定量关系描述方程。研究结果表明:级配碎石的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随加载速率的增大而增大;函数11bE=a v能够较好地描述弹性模量E与加载速率v之间的关系;峰值强度、残余强度与加载速率符合线性关系。

页岩三轴压缩条件下的纵横波速特征

针对页岩层理发育和各向异性强的特点,利用钻井取心进行了一系列三轴压缩条件下的超声波速度测试,获得了不同层理倾角、轴向载荷条件下的纵横波速度变化特性。实验结果表明:1)层理倾角增大,页岩的抗压强度和残余强度呈U型变化趋势,弹性模量逐步增加,泊松比呈先增后减的趋势;2)层理倾角增大,页岩的初始纵横波速度增大;3)随着轴向载荷对页岩内部结构的影响,三轴压缩条件的纵横波速度呈先增后降的趋势;4)页岩水化能增加纵横波速度,大幅度降低页岩的抗压强度;5)页岩动态弹性模量和泊松比的比值与静态弹性模量和泊松比的比值比较接近,相关性较好;6)在围压条件下,页岩弹性模量与泊松比的各向异性系数差别较小。实验结果对于认识和了解页岩的力学、超声波特性,以及声波测井的校正,具有一定指导意义。

当地砂三轴排水实验条件下的应力应变关系

以康德纳的实验作为依据 ,得出了硅砂三轴排水试验的应力应变系及体积应变曲线。本文着重从弹性模量、有侧限限抗压强度、正切弹性模量。

层理倾角对页岩三轴应力应变测试和纵横波速度的影响

针对页岩层理发育的特点,根据不同层理倾角条件下的三轴压缩实验和纵横波速度测试,获得层理倾角对页岩破坏形态、强度、弹性模量、泊松比和纵横波速的影响,明确轴向应力与纵横波速度变化关系,建立研究页岩储层的动、静态弹性模量与泊松比的相关因数,分析页岩的力学参数、纵横波速度的变异因数和各向异性因数。结果表明:页岩力学参数及纵横波速度受层理倾角线性变化,轴向应力与纵波速度正相关,动静态弹性模量和泊松比相关因数分别为1.39、1.18,力学参数的变异因数和各向异性因数均值较超声波速度大。该结果可以为页岩气测井解释、钻井设计和水力压裂改造提供基础参数。

常规三轴条件下含瓦斯水合物煤体的强度特性

为获得含瓦斯水合物煤体在不同围压和饱和度下强度准则的适用性,基于Mohr-Coulomb、Mogi-Coulomb、Hoek-Brown与广义Hoek-Brown准则,结合低围压下含瓦斯水合物煤体的偏应力-应变曲线,分别拟合第一主应力与第三主应力的关系。结果表明:Mohr-Coulomb准则、Mogi-Coulomb准则和广义Hoek-Brown准则的强度预测误差率分别在1.4%、1.2%和1.2%以内,说明这三种准则强度预测模型精度较高;而Hoek-Brown准则的强度预测误差率在2.2%-35.0%范围内,说明Hoek-Brown准则在低围压下不适用。研究成果可为利用瓦斯水合原理预防煤与瓦斯突出研究提供理论参考。

不同含水条件下板岩力学实验研究与理论分析

以南水北调西线的板岩为研究对象,进行了不同泡水条件下的三轴压缩实验,通过引入相对吸水率的定义,分析了吸水率变化对岩石强度、弹性模量及泊松比等力学参数的影响,并从微观的角度分析了试样发生变化的机理,得出如下结论:(1)板岩在泡水后三轴抗压强度发生降低,最大降低辐度达46%左右,抗压强度随相对吸水率的变化可以用函数式来有效的描述;(2)在泡水后,板岩的弹性模量与泊松比随着吸水率的增大而增大,但由于板岩自身各向异性明显,规律性不是特别明显,只能近似用关系式来模拟;(3)理论分析证实:实际泡水条件下的岩样,在受力挤压后,会经历排水与不排水两种过程,随着吸水率的提高,弹性模量与泊松比增大,验证了实验结果;(4)利用微观力学模型初步证实:泡水后板岩颗粒的吸水性与颗粒间毛细管力的减小是造成板岩泡水后发生软化的原因。

评价盖层有效性的岩石力学实验研究

通过三轴压缩实验模拟地层埋藏过程中盖层韧脆性转变,通过三轴卸载实验模拟地层抬升过程中泥岩破裂过程。通过70个样品的三轴压缩测试实验,拟合出硬石膏、泥岩和泥灰岩3种岩性盖层由脆性向韧性转变的临界围压分别为68.5,81.35和92.35 MPa,折合埋深分别为4 029,4 782和5 429 m。通过对泥岩盖层的卸压实验拟合出盖层的破裂围压与主压应力的数学回归方程:y=2.929 6 x+134.28(R2=0.83)。该研究结果除了进一步证实泥岩在一定埋深下仍具有良好的塑性和封闭性能以外,还提供了研究盖层韧脆性转化和抬升过程中破裂边界的定量评价参数,为定量研究盖层有效性提供了基础。

原煤与型煤损伤破坏的应力声发射变化特征对比研究

在研究声发射特征与煤样和断裂的关系时,原煤和型煤都可用作实验样本。大多煤层材质较软,制造标准的原煤试样较为困难,因此使用型煤作为研究样本的实验较普遍,但型煤改变了煤的原始结构,影响了其物理和力学性质,使用型煤替代原煤作为实验样本的适用性一直是学术界讨论的焦点。此外,目前对于原煤和型煤在假三轴压缩实验中表现出的声发射特征差异的研究相对有限。针对上述问题,开展了原煤和型煤假三轴压缩声发射实验,从力学性能、断裂模式和声发射时空演化、频带能量分布、非线性特征等方面着重讨论和分析。结果表明:加载过程中释放的声发射能量和峰值应力总能量与煤样强度密切相关,原煤主要为剪切和拉伸混合破坏模式,型煤主要为拉伸轴裂破坏模式;煤样的声发射位置分别对应其宏观破裂形态,但发生时间和空间分布不同;在峰前加载阶段,原煤的声发射信号相对较少,而型煤的声发射响应剧烈,并在峰值应力时刻达到最大值;通过小波包分析得到型煤的声发射频带能量分布范围小于原煤,原煤的声发射信号频率主要集中在10~120 kHz,而型煤的声发射信号仅在0~100 kHz频率范围内活跃,说明型煤的微破裂规模大于原煤;原煤和型煤的波形能量90%活跃在0~150 kHz;当加载试样接近失稳破坏时,即加载应力为峰值应力的99%左右时,原煤和型煤声发射信号的Hurst指数均大于0.5,表明声发射时间序列与加载过程具有长期相关性。

变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究

通过变化的围压和孔隙压力的作用，进行含瓦斯煤三轴压缩的实验，系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律；并根据大量的实验数据，拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程。研究结果表明：该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析，使邻近层（采空区）孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果。

不同围压下砂岩剪切面倾角的实验研究

利用自行研制的岩石平面应变装置和MTS实验系统进行了不同围压下砂岩的平面应变、拉伸和常规三轴压缩实验,测量了不同围压下砂岩的剪切破坏面倾角,与基于Mohr理论的预测进行了对比,给出了计算内摩擦角和剪切面倾角的一般步骤,得出了低围压下砂岩的剪切破坏面倾角随围压的增加而减小的结论。

松北致密气藏砂砾岩储层脆性特征实验研究

以松北致密气藏砂砾岩储层为研究对象,通过三轴压缩实验,开展含不同粒径砾石的砂砾岩脆性特征研究。在岩样破坏特征、偏应力-应变曲线特征分析的基础上,利用能量演化理论,研究不同粒径对砂砾岩力学性质和脆性特征的影响,并对岩样破坏过程中的声发射响应特征进行分析,结果表明:在三轴压缩实验中不同粒径砾石对砂砾岩岩样的破坏特征具有不同影响。相比于小粒径(<1 mm)砾石为主的岩样,大粒径(2~6 mm)砾石为主的岩样在更低的围压下被剪切破坏,且破裂面倾角较小。由于大量弱胶结砾石界面的存在,大粒径砾石为主的岩样通常具有更低的抗压强度,形成的破裂面更复杂。破裂面凹凸不平导致岩样破坏过程中一部分能量耗散于破裂面的摩擦,因此,大粒径砾石为主的岩样脆性更低,在剪切事件中占比更高,岩样破坏过程中以剪切破坏占主导。

砂砾岩压缩破坏形态及影响因素分析

砂砾岩组成结构和力学特性复杂,研究砂砾岩压缩破坏有利于砂砾岩油藏高效开发。基于三轴压缩实验,建立考虑界面性质的砂砾岩压缩破坏数值模型,研究砂砾岩压缩破坏特征,分析围压、砾石粒径和分布、弱胶结界面及岩样尺寸等因素对砂砾岩压缩破坏的影响。结果表明:与砂岩相比,砂砾岩压缩破坏呈现不规则特性,宏观破坏面与轴向载荷夹角明显增加,甚至接近垂直。随围压增加,砂砾岩破坏面趋于规则;砾石粒径增大时,砂砾岩在砾石分布和弱胶结界面的影响下更易产生不规则破坏面。岩样尺寸较小时,砂砾岩的压缩破坏特征表现出尺寸效应,破坏面为复杂不规则形态;岩样直径为砾石粒径25倍时,破坏面整体规则,围压、砾石粒径和分布及弱胶结界面的影响减弱。该结果对砂砾岩储层钻井、储层改造裂缝形成具有参考意义。

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明:围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9~4.2倍,失效应变增大2.59~3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏(0°)-剪切破坏(30°、45°和60°)-劈裂破坏(90°)的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。

直墙半圆拱隧道围岩变形对开挖应力旋转的响应规律

隧道开挖过程中,围岩应力经历了由原岩应力到应力集中或应力降低,最后达到平衡的重分布过程。隧道开挖部分的围岩经历了复杂的应力路径,主要涉及应力大小和应力轴方向的改变。其中,应力大小的改变对隧道围岩的破坏特征、裂隙演化规律可以通过室内力学实验获得,当隧道深处围岩未发生明显破坏处于三向受力状态下,可通过三轴压缩实验、三轴循环加卸载实验等研究其破裂演化特征;当隧道围岩发生破裂(例如两帮破裂、片帮)后应力环境将由三向应力状态转变为二向应力状态甚至单向应力状态,可通过单轴压缩实验、单轴流变实验等研究其破裂演化特征。然而隧道开挖后应力轴方向在空间上的旋转极为复杂,且应力轴向方向旋转是隧道围岩复杂应力路径表现的主要形式。隧道开挖诱发的围岩应力状态改变,从而孕育和活化围岩裂隙,并造成围岩破裂失稳。该应力状态改变诱发的围岩灾变主要受应力主轴旋转的影响,其对裂隙孕育、扩展深度和扩展方向上有着显著变化,并在不同岩体上表现出不同的宏观破坏状态。因此,在现场实践和科学研究中,人们逐渐对应力旋转现象予以关注,并尽可能地采用多种手段量化应力轴向在空间上的旋转规律,从而清晰地展现出开挖应力旋转与围岩破裂演化的内在联系。然而现有研究成果大多基于特定工程背景或地质条件进行的研究,在应用上具有一定的局限性。因此,为进一步探究隧道开挖围岩应力旋转规律和围岩变形破坏对应力旋转的响应规律,并能够清晰地量化呈现其空间分布规律,本文拟采用PHASE 2D有限元软件分析隧道开挖围岩应力轴向旋转情况及其与围岩变形之间的关系,并研究不同应力初始轴向角度对隧道围岩变形影响规律。

岩石构造对声发射统计特征的影响

利用一套最新型的全波形、宽动态声发射观测系统,对两种不同构造的花岗岩在三轴压缩变形实验中的声发射活动进行了对比研究。二者在声发射空间分布,声发射与体积扩容的对应关系,声发射频谱特征及频度能级统计参数等方面均有明显差异。这表明,岩石构造对声发射的基本统计特征有显著的控制作用。其原因在于岩石构造的差异造成变形方式和变形过程的不同。

基于均匀化理论的土石混合体应力应变关系

将土石混合体等效为理想的二元介质混合材料,假定块石元为理想的脆弹性材料,土体元为典型的弹塑性材料。选取邓肯-张模型定义土体的本构关系,引入块石元局部应变系数建立土石混合体代表单元体积平均应变与其中块石元、土体元微应变的桥联关系。通过均匀化理论对土石混合体代表单元的一般应力应变关系进行了详细探讨。选取广东省云罗高速高填路基土石混填料中的残积粉质粘土,通过室内常规三轴压缩实验对土体邓肯-张模型的参数进行标定,描绘出不同围压及不同含石率条件下土石混合料一般应力应变关系曲线图。结果表明,均匀化理论得到的函数关系式能够较好地反映土石混合体在不同条件下的一般应力应变关系。随着土石混合体含石率的提高其抗剪能力显著增加,但当含石率小于0.3时,块石元的增强效应并不明显。

围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

力学性质是基于水合原理预防煤与瓦斯突出的核心问题之一。以具有突出倾向煤体制备的型煤为研究对象,利用自主研发的瓦斯水合物生成与三轴压缩一体化装置,开展了围压影响下含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。结果表明:三种围压下,应力-应变曲线均为软化型;不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,而内摩擦角的变化较小;含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量随着围压的增加呈线性关系增加,围压对含瓦斯水合物煤体的力学性质有所强化。