有效围压对煤体破裂声发射信号影响研究

含瓦斯煤体受载破裂声发射信号监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。为了提高井下动力灾害预测准确性和及时性,在不同围压、不同孔隙压力条件,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验。结果表明:围压作用使声发射信号滞后且峰值增大,瓦斯压力使声发射信号首次高振铃计数提前;用围压和孔隙压力差值表示有效围压,通过引用有效围压,可以综合讨论围压和孔隙压力对声发射信号的影响,并且通过最小二乘法拟合发现有效围压与煤体破裂声发射信号峰值具有线性关系。利用有效围压与声发射信号的线性关系可以推导信号峰值,将信号峰值的30%设置为信号阀值,为煤与瓦斯突出等动力灾害预测提供一种新的方法。

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。

煤层注水时有效围压对煤体渗透性的影响

针对煤层注水渗流过程中,煤体所受的有效围压对煤体渗透性影响很大的问题,通过自行研制的煤岩样渗透率测试系统,对有效围压与煤样渗透率之间作用规律进行了试验测试分析,得到了试验煤样渗透率与有效围压之间相互影响的拟合方程,以及煤样渗透率对有效围压的敏感性系数。结果表明,随着有效围压的增加,不同煤样的渗透率均规律下降,且满足一元二次多项式的变化规律,不同煤样渗透率对有效围压变化的敏感性相似。

有效围压为零条件下瓦斯对煤体力学性质影响的实验

考虑到气体的封存条件,含瓦斯煤体力学指标的测定一般都是在伪三轴的情况下进行的。但根据国家标准,煤岩力学指标的测定多是对原煤标准试样进行单轴实验取得的。利用瓦斯气体密封装置,提出了测定瓦斯煤体力学指标的类单轴实验方法。通过实验研究,得到了有效围压为零条件下瓦斯对煤样力学性质和力学响应的影响规律。实验结果表明,孔隙瓦斯改变了煤体全部变形阶段的力学响应特性,而煤体力学性质和响应的变化趋势随瓦斯压力的升高而逐渐减弱,即随瓦斯压力的升高,吸附瓦斯所引起的非力学作用将逐渐占据主导地位。

循环应力比与有效围压对北部湾海砂动力特性的影响

海砂作为围填海工程中的填料,研究其在循环荷载作用下的动力特性有重要意义。为揭示北部湾海砂填料的动力特性,利用GDS动三轴测试系统对北部湾海砂开展不同循环应力比与有效围压下海砂的饱和不排水循环加载三轴试验,探究了海砂的动强度与破坏振次之间的关系,并分析了轴向累积应变、回弹模量和动孔压的发展规律。结果表明:动强度与破坏振次之间呈现出良好的线性关系,且动强度随着循环振次的增加而降低;海砂的轴向累积应变呈现“稳定发展一失稳破坏一增量破坏”的发展模式,并且轴向累积应变与振次的拟合曲线可以用幂函数进行描述;回弹模量随轴向累积应变的变化曲线呈现“骤降一缓慢减小一基本稳定”的趋势,同一振次水平下,回弹模量随循环应力比和有效围压的增大而增大,当循环应力比为2.0时,试样回弹模量随应变的关系曲线主要表现为“突增一逐渐减小一趋于稳定”的规律;孔压的发展模式为“骤增一稳定一线性增长”和“骤增一阶梯式增长”两种形式,且两种模式之间相互转换。

低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究

为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律,采用FDES-641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行实验和分析。实验结果表明:低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应。随着有效围压的增加,岩样的渗透率逐步下降,当有效围压开始卸载,岩心的渗透率逐步得到恢复,但不能恢复到原始数据;低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述;岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。

煤岩渗透率对孔隙压力变化响应规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同有效围压条件下分别充CH4与CO2气体时原煤的渗透率与孔隙压力之间关系的试验研究,以探讨在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率对孔隙压力变化响应的敏感性。研究结果表明:(1)在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率随孔隙压力的增加呈幂函数递减趋势,其过程可分为渗透率加速变化阶段和稳定变化阶段;(2)相同孔隙压力、有效围压条件下,充CH4气体的煤岩渗透率高于充CO2时的煤岩渗透率;(3)采用渗透率变化率Dp以及孔隙压力敏感性系数Cp评价渗透率对孔隙压力的敏感性,得出孔隙压力小于1.0 MPa时,煤岩渗透率对孔隙压力的响应程度较为显著,并基于Cp推导出煤岩渗透率与孔隙压力的函数关系式。

含天然气水合物泥质粉砂沉积物电阻率变化规律

现有研究结果表明,研究含天然气水合物(以下简称水合物)泥质粉砂沉积物电阻率特性对于安全、高效开发水合物藏具有重要意义,但目前关于细粒沉积物中颗粒排挤型水合物影响的研究较少,尤其是对沉积物固结收缩、受力变形和剪切破坏过程中储层电阻率的变化规律认识尚不充分。为此,采用3种制样方法制备了含不同饱和度水合物泥质粉砂沉积物,探究了沉积物在降温、水合物生成、N2气体驱替、水饱和、三轴固结和剪切破坏各阶段中电阻率的变化规律,并对固结和剪切阶段中电阻率的各因素敏感性进行了分析。研究结果表明:①水合物生成会急剧增大沉积物电阻率至1 kΩ·m以上,含20%和40%饱和度水合物沉积物电阻率差值超过350Ω·m,而水饱和过程则促使电阻率减小至40Ω·m以下;②有效围压由1.0 MPa增大到1.5 MPa时,饱和气状态下含20%饱和度水合物沉积物电阻率最大可降低253Ω·m,而饱和水状态下降幅约为2Ω·m;③沉积物导电能力受孔隙介质相态变化影响显著,主要机制为水合物生成堵塞导电通道,水饱和强化电流传导,而水合物胶结能力下降和孔隙气残余则会弱化电流传导。结论认为,孔隙介质和外部压力是影响泥质粉砂沉积物电阻率变化的两大重要因素,后续研究中应加强这些因素进行耦合分析,以期为海洋水合物开采过程中储层扰动风险预测提供理论支持。

致密砂岩凝析气藏启动压力梯度

为研究致密砂岩凝析气藏启动压力梯度,在原有气泡法流程基础上增设高线性压差传感器,并通过给出一定的平衡时间解决压力传递缓慢的问题,利用回压控制衰竭速度,设计测定凝析气藏启动压力梯度的实验流程,并在精确模拟地层条件下进行室内研究。研究结果表明:所模拟凝析气藏3个区域的启动压力梯度都随着渗透率的增加先急剧降低而后降低的速度放缓,随着渗透率倒数的增加而线性增加,模拟Ⅰ区启动压力梯度最高,约为模拟Ⅲ区启动压力梯度的9.2倍,模拟Ⅱ区启动压力梯度约为模拟Ⅲ区的3.5倍;在影响启动压力梯度的各因素中,含液饱和度和主流喉道半径的影响最大,其次是微裂缝;润湿性主要影响Ⅱ区和Ⅲ区,对Ⅰ区影响极小,对于围压和温度的影响可以通过精确模拟地层条件来消除。

一种测试油气藏岩石启动压力梯度的优化方法

瞬间动用法和两端压力平衡法测定最小启动压力梯度,耗时都较长,且数据准确度不高。"压差-流量法"测试拟启动压力梯度,在定围压模式下的测试结果会偏大。基于上述分析,设计出了一体化实验流程,并制定出"非稳态动用-压力平衡法",优选出"压差-流量法"最佳实现方式。该流程通过采用精密设备来保证测试数据的精确度,且适用各种渗透率范围岩心的测试。通过将本方法应用于吐哈油田岩心测试,测定结果符合预期,可以将该方法推广到实验室测量中。

基于离散元法的水合物沉积物双轴压缩试验模拟分析

水合物沉积物可看作砂粒和水合物颗粒组成的混合散体材料,其力学行为的研究属于典型的不连续问题,离散元法是求解该问题的有效途径。本文基于离散元数值模拟软件PFC2D制备了饱和度为15%、25%、35%、45%的水合物沉积物DEM试样,并对其进行了双轴压缩离散元模拟试验,研究了在不同水合物饱和度和有效围压情况下,水合物沉积物的强度和变形特性。试验结果表明:在较低饱和度条件下,水合物沉积物会表现出明显的应变软化现象,而随着饱和度的增大,其应力–应变曲线会由应变软化向应变硬化过渡;水合物沉积物的峰值应力、初始弹性模量会随着饱和度和有效围压的增大而增大;水合物饱和度对沉积物的内聚力和摩擦角都有影响,但沉积物的强度主要是由内聚力的变化影响的。

非均等固结条件下饱和软黏土体应变特性试验研究

研究土料的动力特性对土石坝抗震设计具有指导作用。以卢旺达某水电站心墙黏土为工程依托,开展了一系列复杂初始固结条件下循环排水三轴试验,研究了固结比K_(c)、有效围压σ′_(c)和循环加载剪应变幅值γ_(a)对土体累积体应变ε_(vd)的影响。研究结果表明:小应变幅值循环加载条件下,ε_(vd)与γ_(a)线性相关,相同固结条件下ε_(vd)/γ_(a)发展均具有良好的一致性;σ′_(c)与K_(c)对体应变的影响与土体结构性相关,σ′_(c)与K_(c)越大,相同振次下体应变越小。另外,试验结果表明,Martin等提出的体变增量模型能较好地描述本试验中软黏土的体变发展。

海砂力学特性的黏粒效应和围压效应试验分析

利用GDS标准应力路径三轴试验系统,对钦州港海砂开展不同有效围压、黏粒含量下固结排水三轴剪切试验,分析有效围压、黏粒含量对钦州港海砂强度、变形特性的影响。结果表明:同一有效围压下,随着黏粒含量的增加,含黏粒海砂应力-应变曲线由应变软化型曲线向应变硬化型曲线过渡,峰值强度、应力相对软化系数及体积应变不断减小,而峰值应变增加。同一黏粒含量下,试样峰值强度随有效围压的增加逐渐增大,纯砂试样有效围压为300 kPa时的峰值强度相比于有效围压为100 kPa时提高了1.517倍,峰值强度与有效围压之间呈现良好的线性关系;而应力相对软化系数、体积应变则随有效围压的增大而减小。最后,建立了黏粒含量在0%~20%的应力相对软化系数与有效围压、黏粒含量之间的联系。

胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性影响规律

研究低有效应力状态下胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性的影响规律,可以为预测我国南海浅层天然气水合物开采风险和保证储层安全提供理论支持。为此,基于水合物三轴试验平台,制备了不同饱和度的胶结型水合物,开展了固结排水剪切试验,研究了低有效围压状态下含胶结型水合物黏土质沉积物强度和变形特性。研究结果表明:①胶结型水合物的存在会降低黏土质沉积物的初始固结程度,并有效提高其弹性模量和破坏强度,在低有效围压状态下沉积物的黏聚力与内摩擦角均会有不同幅度的增长;②含高饱和度水合物沉积物初始表现为较明显的剪胀现象,而随着有效围压升高,所有含水合物沉积物均表现为持续剪缩现象;③含水合物黏土质沉积物剪切变形主要受初始固结程度、水合物胶结作用和有效应力共同影响。结论认为,水合物开采过程中胶结弱化导致的强度损失和水合物相变导致的固结变形是黏土质储层面临的重要风险之一。

考虑不同影响因素的珊瑚岛礁场地地震响应分析

珊瑚岛礁场地在强地震条件下的稳定性是开展基础设施建设的首要挑战,而由于珊瑚岛礁海洋工程地质以及钙质砂动力特殊性,系统而深入地研究强震条件下珊瑚岛礁动力响应是进行场地地震稳定性评价的关键。文中基于UPFs在ANSYS软件中嵌入了模拟远场辐射阻尼和珊瑚砂非线性动力特性的用户子程序,建立了珊瑚岛礁场地地震响应分析时域计算模型,进而分别考虑地震动、相对密实度和有效围压3种因素,从加速度放大特性、加速度反应谱、加速度峰值变化以及相对位移等方面探究不同因素对珊瑚岛礁场地地震响应的影响规律。计算结果表明:珊瑚岛礁场地对长周期频谱有滤波作用,相对密实度和有效围压对岛礁场地的地震响应有一定影响,所建立模型表现出良好的适用性。

FLAC_3D的锚杆拉拔数值模拟试验

为研究锚杆锚固力主要影响因素、锚杆拉拔过程中的整体失稳的规律等,采用三维显式有限差分法,建立锚杆拉拔数值仿真模型,进行一系列计算机模拟.结果表明:数值模拟计算的结果和现场试验得到的结果基本吻合,表明数值模拟锚杆拉拔过程是可行的;锚杆拔出的过程是慢慢滑移到突然整体失稳过程;锚杆锚固效应随着锚固剂的摩擦角、粘结力和有效围压的增加而增强;锚固剂所受的剪切应力分布规律随锚杆拉拔过程而改变,在拉拔初始时,自由端至锚固端,自由端锚固剂处的剪切应力为最大,锚固端处的剪切应力为最小接近为零,随着锚杆拉拔的进行,自由端处锚固剂与锚杆的界面屈服点首先达到,造成自由端处锚固剂与锚杆出现滑移现象,而随着锚杆拉拔的进一步进行,锚固剂所受的剪切应力慢慢呈现均匀分布,均都达到了最大值,均达到了锚固剂与锚杆界面的屈服点,锚杆出现整体失稳;在锚杆的拉拔过程中,锚杆的变形规律是自由端处的变形量最大,自由端至锚固端锚杆的变形量逐渐变小,同时锚固剂变形的规律与锚杆的变形规律相同.

含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型

水合物含量、有效围压是影响含天然气水合物沉积物力学性质的主要因素,在忽略其他次要因素(包括水合物种类、试样颗粒大小、试验条件等)的情况下,水合物含量和有效围压是决定试样弹性模量的两个关键参数。在分析等效弹性模量与水合物含量相互关系的基础上,考虑有效围压的影响,建立了弹性模量与有效围压的幂函数关系;同时采用Drucker-Prager破坏准则来表示含天然气水合物沉积物微元强度,并假设其微元强度服从Weibull分布,从而建立了含天然气水合物沉积物的损伤统计本构模型,与不同有效围压下的试验结果及已有研究成果相比较,表明了所建模型能够很好地模拟三轴剪切条件下含水合物沉积物试样的应力-应变关系特性。此研究成果可对含天然气水合物沉积物工程性状的数值模拟提供参考。

含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F0的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。

基于材料状态相关砂土临界状态理论的应变局部化分析

针对传统砂土本构理论无法合理解析剪破角随初始围压增加而减少这一试验规律的局限性,采用材料状态相关砂土临界状态本构模型对Hostun砂进行了应变局部化分析。首先基于已有的材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak等所提出的砂土本构模型进行了改进,并利用Hostun砂的有关三轴排水试验结果对模型参数进行了拟合,然后对Hostun砂的平面应变排水试验进行了应变局部化分析。分析结果表明:基于材料状态相关的砂土临界状态模型能够合理地描述材料初始状态对砂土变形局部化的影响,尤其是初始有效围压对剪破角的影响。