深层页岩储层脆性评价及综合脆性指标评价优化路径研究——以Z-3井五峰组—龙马溪组为例

页岩的岩石脆性是页岩油气藏可压裂性的重要影响因素,也对页岩油气工程有指导价值。对国内外的脆性评价方法进行归类和研究分析,以Z-3井五峰组—龙马溪组为例,通过单轴抗压实验、三轴抗压试验和巴西劈裂实验等岩石力学实验手段,获取计算脆性指标的必要数据,从而进行脆性指标的检验和对比评价。研究结果显示,矿物组分法忽略了成岩作用、岩石受力条件和地区等因素;力学强度参数法脆性指标的数值敏感度不好,并且出现与实际情况相反的现象;弹性参数法参数修改的工作量大,线性加权权值的选取未加以说明;应力应变曲线法存在特殊情况使得指标失效,而且存在较为严重的系统误差和人为误差等问题。综合当前研究方法的局限性,提出基于组合赋权法构建综合脆性指标的思路,为工程技术人员提供参考。

硬岩脆性指标与弹性应变能关系初探

为探讨硬岩脆性指标与弹性应变能之间的关系,采用侧向应变差法确定起裂应力,以岩石起裂应力和峰值强度为桥梁,基于断裂力学理论和能量理论解释了脆性指标与弹性应变能内在的联系,并从两种岩石单轴压缩试验中构建了脆性指标与弹性应变能之间的函数关系.结果表明:脆性指标B_(13)、B_(14)与起裂弹性应变能(单变量)符合幂函数关系,脆性指标B_(15)、B_(16)与起裂弹性应变能(单变量)符合幂函数或线性函数关系,脆性指标B_(13)、B_(14)、B_(15)和B_(16)与峰值弹性应变能(单变量)之间无明显函数关系;新定义的脆性指标可由起裂和峰值弹性应变能(双变量)获得,或由起裂弹性应变能(单变量)获得,脆性指标与峰值弹性应变能关系式的构建,对于研究岩爆倾向性具有重要意义;根据新定义的脆性指标,利用两种岩石算例验证表明,采用起裂弹性应变能的岩石脆性指标计算方法具有一定的可靠性.通过这一研究,为岩石脆性指标与起裂弹性应变能关系的确定提供了一种新方法.

基于强度尺寸效应的准脆性材料脆性指标研究

长期以来,如何评价准脆性材料的脆性一直是一重要问题。然而,现有的大多数脆性指标存在明显的局限性,即显著受试件尺度的影响,往往反映的是材料的脆性行为,而不是材料性质。基于Bazant尺寸效应律,强度与试件尺寸双对数曲线图中两条渐近线的交点或与之相关的有效断裂过程区长度可反映材料脆性。该脆性指标测定简单方便、真实可靠,能广泛应用于各种准脆性材料脆性评价。

基于脆性指标与物元理论的可爆性分级技术与应用

为解决爆破效果差的问题,本文根据矿山生产情况的反馈,提出了能够综合反映矿岩爆破特性的评价指标——脆性,经落锤试验确定脆性系数,并将其与岩石容重、抗拉强度一起作为可爆性判别指标。应用物元可拓理论,建立岩体可爆性物元模型,通过层次分析法和简单关联函数法确定主客观权重,对矿岩可爆性进行了评判,得出待评岩体的可爆性级别。在此基础上优化爆破参数,并通过爆破漏斗试验进行验证。最后,将其应用于该矿中深孔爆破中,矿山爆破效果得到了明显改善。

两个率(比)比较中的单位脆性指标及其与显著性检验的关系

对于两个率(或比)的比较分析,国外学者认为在应用四格表 x^2检验等方法进行显著性检验的同时,应比较两个率(或比)的实际差别大小(e=p_1-p_2)与根据专业确定的界值δ(容许误差)来描述性地评价其“数量上的显著性”(Quantitative significance)。但是,由于两组比较中的实际数不同,实际差别(e)

水泥土强度特性及脆性指标分析

水泥土是指由水泥、土和水按一定比例混合的多相混合体,水泥土的残余强度是表征其力学特性的重要指标,准确地描述水泥土的残余强度具有重要意义。为定量分析水泥土的残余强度特性,引入了脆性指标,并通过室内三轴压缩试验,研究了水泥掺量、围压和龄期对水泥土抗剪强度和脆性指标的影响。试验结果表明,随水泥掺量、围压和龄期增大,水泥土峰值强度和残余强度均增大;不同水泥掺量水泥土峰值内摩擦角与残余内摩擦角相差不大;随水泥掺量和龄期增大,水泥土脆性指标逐渐增大,脆性越强,而随围压增大,脆性指标逐渐减小,塑性越明显。

基于应力应变曲线的页岩脆性指标分析

页岩脆性是评价页岩气储层是否可压的一个重要指标,是储层能否实现商业开采的关键。以南方海相龙马溪组富有机质页岩为研究对象,开展了单三轴压缩试验,依据岩石应力应变曲线建立新的脆性评价指标,并进行验证,在此基础上研究了页岩的脆性各向异性特征,结果表明:提出的脆性指标可以较好地反映页岩的脆性特征,标准化系数分别取λ=0.4和η=0.6时效果最好;南方海相龙马溪组页岩储层具有较强的脆性特征,可将其划分为高可压性储层;页岩的脆性指标随着围压增加逐渐降低,降低的速率逐渐减小;页岩的应力应变曲线5个阶段比较明显,随着围压增加,压密阶段逐渐缩短,屈服阶段逐渐变长,残余强度随着围压几乎线性增加;随着围压增加,页岩的峰值强度、弹性模量和软化模量都表现出明显的增加趋势,增幅分别为105.17%,71.74%和97.75%;页岩的脆性指标随着层理倾角增加先减小后增加,表现出"U"形变化规律,在层理倾角θ=0°时取得最大值,θ=30°时取得最小值,各向异性系数高达1.991,具有明显的各向异性特征。

水冷却花岗岩力学特性及脆性指标研究

为研究经历不同高温水冷却后花岗岩所呈现出的相关物理力学性质及脆性指标,对经过200~800℃高温水冷却的花岗岩试样进行单轴压缩试验、声波损伤检测,探究了质量损失率、孔隙率、声波波速、单轴抗压强度等随温度的变化规律,并建立了基于起裂应力和损伤应力的脆性指标。研究结果表明:花岗岩质量损失率随温度升高逐渐增大;孔隙率的变化与温度的变化呈正比关系,400℃为孔隙率剧增的分界点;声波波速值随温度的升高不断下降;花岗岩单轴抗压强度随温度升高呈下降趋势,600℃是花岗岩热冲击后抗压强度劣化效果转变的阈值;针对高温水冷却后的花岗岩进行了脆性程度分析,所得测试结果与花岗岩应力应变曲线和破裂形式所得结论一致,花岗岩随温度升高脆性逐渐减弱,延性增强。这一研究对干热岩开发过程中的失稳问题和地下热储层建立等问题具有重要意义。

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论:(1)以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2)岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3)采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明:(1)滚刀更难贯入高强度岩石;(2)脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3)将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。

不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究

准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。

基于强度表征的混凝土脆性指标影响因素研究

借鉴岩石脆性指标的评价方法,依据峰值抗压强度和残余抗压强度对混凝土脆性指标进行了计算.讨论了粗骨料粒径和试样形状对混凝土脆性指标的影响,分析了抗压强度、峰值应变、单位体积吸收能、破碎分形维数与脆性指标的关联.结果表明:棱柱体试样的脆性指标均比同粒径的圆柱体试样脆性指标高;棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随粗骨料粒径的增大、抗压强度的降低而呈增大趋势;棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随峰值应变的减小、单位体积吸收能的减小和破碎分形维数的减小而增大.

层状千枚岩各向异性力学特性与脆性评价研究

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。

围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式及脆性影响

采用超高刚度常规三轴试验装置Stiffman对砂岩进行单轴与常规三轴压缩试验,研究围压及层理角度对砂岩力学特性影响规律。试验结果表明:层理角度增加使得砂岩轴向和径向峰值应变降低,峰值强度呈增加趋势;层理角度为60°和低围压下层理角度为45°时,层理结构使得峰值强度降低;弹性模量不受层理角度影响。围压增加使得砂岩轴向和径向峰值应变、峰值强度增加,弹性模量呈增加趋势。砂岩破坏受围压和层理角度影响,可分为应力控制型、应力结构控制型和结构控制型3种。基于砂岩轴向和径向峰前及峰后变形特征建立的脆性指标,很好地描述了砂岩脆性随围压和层理角度的变化规律:围压增加,砂岩试样脆性降低;围压相同时,层理角度为60°的砂岩试样脆性最高。

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力-应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力-应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石Ⅱ类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力-应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏Ⅱ级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。

玄武岩脆性类岩石相似模型材料比选与力学特性测试研究

工程开挖区特殊断续柱状节理玄武岩赋存环境往往地质条件复杂、地应力水平较高,玄武岩块体单轴抗压强度高、离散性强,失效破坏脆性张拉劈裂特征显著,原生隐裂隙对强度和变形影响明显。以硬脆性玄武岩为研究对象,通过制备5类质量比模型材料试样,基于单轴压缩试验、巴西劈裂试验与声发射测试等技术手段,在相似比原则的基础上,在应力-应变曲线形式、试样破坏方式、压拉比(脆性指标)与物理力学参数等方面比选了可模拟柱状节理玄武岩岩块力学响应的脆性类岩石相似模型材料。研究成果可为断续柱状节理玄武岩物理模型试验开展各向异性力学响应、损伤演化特征与渗流-应力耦合特性等研究提供技术与材料支撑。

基于岩体断裂能比值的脆性指标分析

脆性是岩石极为重要的一种固有属性,是评价岩爆发生概率和岩体力学属性的重要指标,但至今还没有标准的、统一的岩石脆性定义及测试方法。因此,在简化的应力-应变曲线基础上,提出一种考虑岩体峰后断裂能与峰前断裂能比值的新的脆性指标。为验证新指标的准确性,对3种不同岩性岩石开展了单轴和三轴压缩试验。研究结果发现:花岗岩、红砂岩和泥质砂岩在所受应力状态相同的情况下,脆性程度依次减小,与实际脆性程度相符;经由理论和试验结果分析,验证了该脆性指标的正确性,能够为深部岩体开发利用中的地层脆性评价提供参考。

基于峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法

为实现对峰前及峰后岩石脆性特征的定量刻画,提出了一种基于岩石峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法,建立岩石峰前脆性指标B pre及峰后脆性指标B post,将两者之积作为岩石脆性评价指标B_(m)。为验证脆性评价指标的合理性,选取凉山州某铁矿矿山扩能工程露天采场边坡发育的玢岩、辉长岩及花岗岩为研究对象,开展不同岩石及不同围压条件下的三轴压缩试验;采用已有的脆性评价方法B_(15)~B_(18)、B_(23)与本文所提的岩石脆性评价指标B_(m)对试样的脆性特征进行验证对比,结果表明:(1)采用脆性指标B_(m)能够较好地评定不同种类岩石的脆性特征,B_(m)与岩石脆性呈负相关,即脆性评价指标B_(m)越大,岩石脆性程度越高;(2)脆性指标B_(m)较好地验证了围压对岩石脆性特征的影响,随着围压的增大,岩石脆性程度降低。本文所提出的脆性评价方法丰富和完善了岩石室内脆性评价体系,具有一定的理论意义及工程实用价值。

龙马溪组页岩脆性特征试验研究

基于应力应变曲线,采用反映脆性破坏难易程度的脆性跌落系数R、反映脆性强弱的应力降系数P和软化模量M,建立了脆性评价综合指标B_（d1）和B_（d2）。通过页岩的单三轴试验,验证了B_（d1）和B_（d2）的适用性,该指标可以有效反映页岩在破坏前后抵抗非弹性变形的能力和丧失承载力的情况,基于该指标讨论了取芯角度为0°,30°,60°和90°页岩的脆性各向异性,并与破坏模式相对应,得到如下结论：1B_（d1）侧重性强,可自由选择参数,B_（d2）综合性强,对围压比较敏感,与围压拟合为指数函数关系;2页岩脆性随围压的增加整体呈减弱势,低围压下下降速度快,高围压下下降速度慢,同围压下,90°时脆性指数最大,30°时最小;3单轴压缩下,破坏模式和脆性指标密切相关,0°和90°脆性指数最高,60°次之,30°最小;2～20 MPa围压下,0°时脆性指数下降速率最快;20～30 MPa围压下,0°,30°和60°取芯页岩脆性指数出现了＂上扬＂现象,90°未出现上扬;4围压通过对侧向位移限制和对层理面的压实效应来影响脆性指数,低围压下,侧向位移限制占主导,脆性减小;高围压下,压实效应占主导,脆性稍增。

层状页岩岩石力学特性及其脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对压裂改造效果影响极大,开展页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气开采中大规模体积压裂提供技术支持。本文对龙马溪组黑色炭质页岩进行单轴压缩试验,得到以下结论:(1)黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物主要成分为石英和方解石,结构面固有强度较高;(2)由于强结构面的影响,倾斜层理试件具有较高的弹性模量与单轴抗压强度,但是总体积应变量较小;平行或者垂直层理试件的弹性模量与单轴抗压强度较小,总体积应变量反而大;(3)随着层理倾角β的增大,层状页岩单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为"中间小两头大"的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值较小,而0°或90°时较大;(4)岩石脆性是可压裂性的关键因素,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强,脆性指标的变化规律大致呈倒U型。本文的研究对评价页岩的可压裂性、提高压裂改造效果具有重要的现实意义和应用价值。