“双碳”背景下岩石力学教学改革——基于岩石实时高温剪切实验系统

为让学生深入理解“双碳”目标,探索岩石力学中蕴含的“双碳”问题,该文基于岩石实时高温剪切实验系统,创新性地将“双碳”战略实施过程中涉及到的地热资源开发、干热岩开采等问题融入岩石力学教学中。岩石力学课程中该实验系统的引入,可以帮助学生更好地理解地热资源的特性和行为,熟悉高温高压下岩石的物理特性和力学行为,掌握高应力环境下节理岩体的剪切力学特性及破坏特征。同时,以新的实验系统为载体,可以激发学生的学习兴趣,培养学生的动手能力和创新思维,进而加深学生对理论知识的理解。另外,通过实验可提高学生的实践水平,将所学知识充分应用到工程实际中。

实时高温富有机质页岩变角剪切力学特性及应变场演化研究

原位注热开采富有机质页岩是复杂的固流热化学耦合过程,矿层热解过程中采场和井筒均受到剪切力作用,而高温作用后与实时高温作用下页岩的力学响应规律是截然不同的。为了研究实时高温作用下页岩剪切力学特性和变形演变规律,设计了实时高温岩石变角剪切试验系统,结合声发射和数字图像相关技术,对不同温度和剪切角度下页岩的抗剪强度和变形场分布特征进行了深入研究。研究结果显示:首先,随着温度的升高,页岩表现出由脆性破坏向延性破坏的转化,而抗剪强度随着剪切角度的增大呈减小趋势;然后,页岩的抗剪强度随温度的升高呈现“V”字形变化趋势,400℃后其抗剪强度降至最低(2.93MPa),可将该温度点视为页岩剪切特性的阈值温度;当温度超过400℃时,页岩内部矿物晶格的转变使得其抗剪强度继续增大;最后,常温~600℃范围内页岩在剪切过程中的应变场演化可以分为两个阶段:常温~400℃,页岩在剪切破坏时沿层理结构形成一条明显的应变局部化带,沿着该局部化带发生直接剪切破坏;400~600℃范围内,页岩表现出明显的应变软化特征,沿各层理间发生相互“错位剪切”,不再以沿层理结构直接发生剪切破坏,表现为渐进剪切破坏特征。

自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究

岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。

实时高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性

为了探究实时高温条件下岩石试样的拉伸试验和全过程声发射特性,采用MTS810电液伺服试验系统,进行了不同实时温度下核废料预选区北山花岗岩试样巴西劈裂试验,比较分析不同温度(25~1000℃)下北山花岗岩宏微观的破坏特征、荷载-位移曲线、抗拉强度以及全过程声发射特征随温度的演化规律等。研究结果表明:随着温度的升高,北山花岗岩形成的裂缝越来越多,晶间裂纹的裂缝孔径逐渐增大,T>400℃时形成明显的穿晶裂缝,失效模式也从脆性的拉伸破坏变为延性,呈Y型破裂模式;荷载-位移曲线形状由“下凹”型向“上凸”型转变,实时高温下北山花岗岩抗拉强度整体呈下降趋势,这种随温度的劣化趋势却表现出较强的阶段性特征;达到峰值荷载之前声发射(AE)事件存在平静期,随着温度的增加,这种平静期阶段变得越来越不明显,同时峰值振铃计数率逐渐减小。研究成果可供深部地下实验室建设和数值模拟提供参考。

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响,以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象,利用分离式霍普金森杆(SHPB)及同步箱式电阻炉,对20~800℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验,分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响,基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明:20~400℃高温试件以脆性劈裂破坏为主,碎片形态呈纺锤形,两端尖锐,而600℃高温试件以塑性破坏为主,形状趋于圆钝;试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势,200℃时达到强度阈值,随后持续降低;单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系,与温度呈二次函数关系,与峰值应力呈指数关系,拟合效果良好;石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200℃后逐步劣化。

三轴压缩下实时高温和热处理后碳酸盐岩力学特性的试验研究

高温高应力条件对深层超深层油气的高效开采提出了极大的挑战。为探究实时高温和热处理2种温度作用下储层岩石力学性质变化的区别,通过自主研制的多场耦合试验系统对新疆塔里木油田的碳酸盐岩展开实时高温和热处理后的三轴压缩试验,分析2种试验情况下岩石强度、变形、破坏模式和力学参数的演化规律。结果表明:(1)随温度升高,实时高温下碳酸盐岩脆-延转化的临界围压减小,热处理后岩石的临界围压增大。(2)在2种试验条件下,碳酸盐岩的弹性模量都随温度的增加而减小;泊松比呈现出不同的变化规律;另外实时高温下碳酸盐岩的弹性模量和泊松比与围压的关系可用指数函数来表示。(3)碳酸盐岩的破裂角随围压的增大而减小;实时温度下岩石的破裂角和常温下相比变化不大,热处理后岩石的破裂角有增大的趋势。(4)与常温和加热处理后的岩石相比,实时高温对碳酸盐岩的体积应变和扩容应力影响更为明显,实时高温下的岩石更易进入屈服阶段。此研究结果有助于深入了解深层碳酸盐岩储层受高温影响下力学性质的变化规律,并为深层油气的安全高效开采提供理论依据。

实时高温真三轴试验系统的研制与应用

高温和应力耦合下的岩石力学特性是深部资源开发研究热点之一,自主研制实时高温真三轴试验系统,该系统主要由以下3个子系统构成:全刚性力学加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统。该系统可真实模拟岩石在深部地层中温度应力场耦合环境,采用50 mm×50 mm×100 mm的标准岩石试样最高可在460℃(岩样表面温度)温度下进行单轴、常规三轴、真三轴、蠕变与循环加卸载等多种应力路径试验;3个方向(σ1,σ2,σ3)独立加载控制,其中σ1方向最大输出应力为1 000 MPa,σ2与σ3方向最大输出应力为200 MPa;高温温度控制系统由六回路可拆卸式柔性加热组件与气凝胶保温套组成,采用温控箱对每一回路进行单独温度监控,实现对岩样的实时加热和监控;热塑模具钢和水冷循环系统可保证高温下试验系统的整体刚度与工作稳定性,高精度闭环伺服控制系统和磁制位移传感器,可在实时高温下实现多种应力路径试验中3个方向位移与压力的精准伺服监测。通过对比实时高温真三轴试验系统与常规三轴试验系统的试验结果,验证实时高温真三轴试验系统的准确性和稳定性。然后,进行花岗岩实时高温真三轴试验,研究温度和中间主应力(σ2)对花岗岩的力学性质的影响,400℃高温对花岗岩的强度和弹性模量具有增强作用,中间主应力(σ2)对400℃高温下花岗岩的强度和峰值应变有增加作用,对室温(RT)下花岗岩的强度有增强作用和第三主应力方向峰值应变(ε3p)有减小作用。相关研究结果可为干热岩资源的开发利用、核废料处置库建设以及深部岩体工程提供理论和技术支持。

激光冲击炭纤维靶的高温实时测量

本文报导使用ＣＣＤ光学多道分析器对脉冲激光冲击炭素纤维产生高温进行的实时测量，使用ＣＣＤ光学多道分析系统采集Ｅ（λ，Ｔ）谱，用双色法解得所测量的温度，并对实验结果和应用前景进行了讨论。

高温对不同粒径花岗岩剪切特性影响研究

在干热岩水力压裂过程中,高温会弱化热储岩体裂隙壁面强度从而表现出裂隙错动的行为特征,而这种弱化现象与黏聚力和内摩擦角的热变特性相关,因此,了解花岗岩在高温下的力学特性对于干热岩开发过程中热储岩体的稳定性评价具有重要意义。在不同高温条件下进行了粗、细颗粒花岗岩变角剪切试验(45°、55°、65°),分析了高温对不同粒径花岗岩黏聚力和内摩擦角的影响,结合扫描电镜与低场核磁共振试验,进一步研究了热力耦合作用对花岗岩微裂纹与孔隙结构演化规律的影响。研究结果表明:花岗岩的黏聚力随温度升高呈现先增加后降低的趋势,内摩擦角变化规律受温度影响较小,300℃为花岗岩黏聚力发生转化的阈值温度。在温度阈值前,粗颗粒花岗岩黏聚力增幅约为细颗粒花岗岩的5.73倍,温度强化效应对粗颗粒花岗岩影响更为显著。随着温度的升高,花岗岩微裂纹形式由晶内裂纹向沿晶裂纹发展。核磁共振T2谱曲线存在多个间断性峰值,温度升高使粗颗粒花岗岩大孔隙受到压实作用,导致弛豫效应减弱,而热力耦合作用对细颗粒花岗岩大孔隙发展影响有限。该研究结果有望为干热岩热储岩体稳定性评价提供参考。

45钢魏氏组织高温实时形成研究及工艺控制

应用高温实时金相,全面研究了45钢在不同的加热温度、冷却方式下,魏氏组织真实形成的温度区间。结合魏氏组织的形成规律及实际生产状况,优化了45钢现有的生产工艺,有效地控制了魏氏组织的含量。

基于能量演化的超深层高温页岩脆性评价方法

深层/超深层页岩气是未来勘探开发重点攻关对象。目前川东南某页岩气井的最大钻探垂深已达6600 m,地层温度高达180℃。为揭示高温页岩力学性质及脆性特征,以该井垂深为5942.34~5951.75 m的龙马溪五峰组真实岩心开展180℃实时高温三轴压缩实验,提出了基于矿物组分权重的能量演化脆性评价方法,并以此评价其脆性。该方法同时考虑岩石矿物组分和破坏过程中的能量演化,能更准确地定量评价高温岩石脆性。结果表明:页岩抗压强度随温度/围压的增加而增加,弹性模量、泊松比受温度/围压的影响较小;破坏模式随围压的增加由脆性张剪性贯穿多裂纹破坏向脆塑性单裂纹剪切破坏转变;计算得到该超深页岩层段脆性指数高,表明其具备形成复杂缝网的物质基础。

干热岩储层高温条件下岩石力学特性研究

为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质,进一步指导干热岩钻井施工,通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样,通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间,以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载,减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩,通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据,计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数,分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明,在200℃以内,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低;随着温度的进一步升高,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低,而抗拉强度持续降低;储层岩体温度和应力的升高,将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数,为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。

加热-冷却过程中花岗岩细观热破裂机制

由于高温试验设备的限制,在实验室中研究岩石真实热破裂规律通常需要依据冷却后试样的细微观结构观测结果来进行分析推断,无法获得热破裂的实时动态演化过程。为此,基于考虑温度和裂纹滑移效应的节理本构关系,构建花岗岩热力耦合UDEC晶粒模型,以深入探究加热和冷却过程中花岗岩的实时热破裂行为。研究发现,在加热状态下,花岗岩热诱导微裂纹在75℃左右开始萌生,随着温度的升高,微裂纹数量在α→β石英相变温度附近快速达到峰值,但微裂纹密度在600℃降温到25℃的冷却过程中并没有明显变化。虽然冷却效应引起的裂纹数量变化可以忽略不计,但会导致裂纹开度的增加或减少。在加热过程中,微裂纹的萌生主要是由于相邻晶粒的热膨胀不同导致局部应力累积造成的。而石英高温相变引起的细微观结构变化可以增强不同晶粒之间的相互作用,导致晶粒尺度上的压缩和剪切运动加剧,使得热应力裂纹继续变形拓展。在冷却过程中,由于加热过程中热破裂导致的细微观应力释放和冷却效应导致的不同矿物晶体收缩,使得微裂纹的数量虽然不变,但其形态却能发生较为明显的变化,从而使得冷却后花岗岩的宏观应力-应变行为受到很大影响。基于离散元数值模拟对花岗岩热力耦合试验结果作出了细微观阐释,揭示了加热和冷却过程中花岗岩的实时热破裂机制,进一步加深了对高温岩石热力耦合规律的理解。

耐高地温衬砌混凝土力学性能试验研究

从隔热、增强、耐热角度出发设计研制出一种隧道耐高地温衬砌混凝土。通过不同养护温度混凝土抗压试验,分析混凝土抗压强度与养护温度关系。通过实时高温下混凝土单轴压缩试验获得混凝土不同温度条件下应力-应变全曲线,分析其变形破坏特征、力学性能及温度效应机理。结果表明:对照混凝土在前期采用高温(60℃)养护的条件下,相对常规养护其抗压强度明显降低,而耐高地温混凝土强度降幅较小;实时高温下单轴压缩试验表明,常规养护的混凝土具有明显温度效应,峰值强度和弹性模量随温度升高呈下降趋势,耐高地温混凝土具有减轻温度效应特点,同时还具有良好韧性,呈现出延性破坏特征且残余强度较高,具有较理想吸能能力。

Determination of dynamic modeⅠfracture toughness of rock at ambient high temperatures using notched semi-circular bend method

To investigate the influence of loading rate and high temperature on the dynamic fracture toughness of rock,dynamic fracture tests were carried out on notched semi-circular bend specimens under four temperature conditions based on the split Hopkinson pressure bar system.Experimental and analytical methods were applied to investigating the effect of temperature gradient on the stress waves.A high-speed camera was used to check the fracture characteristics of the specimens.The results demonstrate that the temperature gradient on the bars will not significantly distort the shape of the stress wave.The dynamic force balance is achieved even when the specimens are at a temperature of 400°C.The dynamic fracture toughness linearly develops with the increase of loading rate within the temperature range of 25-400°C,and high temperature has a strengthening effect on the dynamic fracture toughness.

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃~450℃在10-20 m^2之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10-19~1.17×10-17 m^2范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃~400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19~2.9×10^-18 m^2,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16~10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了20℃~200℃油页岩垂直层理方向的渗透率,结果表明滑脱效应在此温度段对渗透率起主导作用。然后利用X射线计算机断层扫描技术对不同温度下样品微观结构进行了详细的表征。研究发现,裂缝主要发生在平行层理方向,很少发生在垂直于层理方向。结合渗透规律和油页岩热破裂规律,讨论了不同温度下油页岩不同层理方向的渗透率出现各向异性的原因。最后讨论了研究成果在油页岩原位开采中所起到的理论指导意义。

Thermal transformation of δ-MnO_2 nanoflowers studied by in-situ TEM

ln-situ transmission electron microscopy in combination with a heating stage has been employed to real-time monitor varia- tions of δ-phase MnO2 nanoflowers in terms of their morphology and crystalline structures upon thermal annealing at elevated temperatures up to -665 ℃. High-temperature annealing drives the diffusion of the small δ-MnO2 nanocrystallites within short distances less than 15 nm and the fusion of the adjacent δ-MnO： nanocrystallites, leading to the formation of larger crystalline domains including highly crystalline nanorods. The annealed nanoflowers remain their overall flower-like morphology while they are converted to α-MnO2. The preferred transformation of the δ-MnO2 to the α-MnO2 can be ascribed to the close lattice spacing of most crystalline lattices between δ-MnO2 and α-MnO2, that might lead to a possible epitaxial growth of ct-MnO2 lattices on the 8-MnO2 lattices during the thermal annealing process.