不同压力条件下部分饱和砂岩速度实验结果及理论解释

在实验高频条件下,对储层砂岩样品采用常规饱和方法得到的弹性波速度随饱和度的变化呈现出复杂的样式,不同于地震勘探中用有效流体模型给出的理论结果,这种差异在低围限压力下更为明显。本文在变压力条件下,对部分饱和储层砂岩的纵、横波速度变化规律进行了系统实验研究及定量分析。研究表明,在实验高频条件下,两种不同孔隙尺度上流体分布的不均匀性明显影响实验结果,也是实验结果与有效流体模型理论值存在差异的主要原因:孔隙尺度上纵横比较小的裂隙中的饱和流体在高频条件下非“弛豫”作用对弹性波速度存在影响;较大尺度上(包含多个孔隙)孔隙流体不均匀的斑块分布对纵波速度存在影响。因此不论在实验室条件下,或是在实际地震勘探中分析弹性波速度时,应考虑这些因素影响。

冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究

首先分析饱和砂岩所经历的冻融作用的特点,认为冻融作用是一种低周疲劳荷载,且砂岩冻融循环作用下的受力状态可简化为单向拉伸荷载的循环作用。基于以上分析,在疲劳损伤理论的基础上,建立砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程。同时,通过对饱和砂岩冻融循环过程中的物理性质的观测,及对砂岩自身结构特点的分析,选取砂岩的开孔隙率作为损伤变量。之后通过试验数据对所建立的损伤模型进行验证,并探讨损伤方程中各参数的确定方法。经过验证,该损伤模型能较好地反映饱和砂岩在冻融循环作用下的损伤扩展规律,可以为相关的研究提供参考。

孔隙流体饱和砂岩的衰减与频率的相关性

为了研究砂岩的应力弛豫衰减随温度和频率的变化规律，笔者在0．1～10HZ的频率范围内进行了饱和砂岩强迫共振试验。实验结果证明：降低温度与增加频率是等效的；砂岩振动的衰减峰随饱和流体的黏滞系数的增加向高温方向移动；黏滞系数和频率对砂岩振动的衰减的影响起相同的作用；随着孔隙率的增大，砂岩振动的衰减也增大。

饱和砂岩滞弹性弛豫热激活过程机理探讨

物理模型实验揭示：流体饱和度、孔隙流体的特性，地震波的频率和岩石孔隙的纵横向尺寸比对地震波的衰减都有很大的影响。本文借鉴滞弹性弛豫热激活过程的研究来描述地震波在饱和砂岩中的衰减机理。首先研究成分单一的长石砂岩在水、原油、油水混合液饱和条件下的弛豫特性，发现产生弛豫峰的王要原因是孔隙液体与长石砂岩孔隙界面上的相界弛豫。对于由初隙液体饱和的多孔岩石可以用普遍化的Voigt三参数模型和Cole－Cole分布描述。由于孔隙液体饱和的多孔岩石中普遍存在着多重弛豫的叠加，所以造成弛豫峰变宽。实验表明，油水混合液饱和砂岩的弛豫最宽，石油饱和砂岩比泵油饱和砂岩的分布宽度稍大，水饱和砂岩的弛豫峰较窄。

饱和砂岩在疲劳载荷作用下的黏弹性性质

采用由法国引进的Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波(行波)的传播,试验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为-50℃～125℃、升温速率保持在1℃/min、频率为5～90 Hz的条件下,对饱和泵油长石砂岩、彭山砂岩圆柱形样品进行单轴循环加载试验,求取饱和泵油长石砂岩和彭山砂岩波的能量衰减、虚模量、杨氏模量、弹性波速度与温度和频率的关系。以此研究饱和多孔岩石中行波的能量衰减和虚模量随温度的变化规律,取得行波随频率增高饱和多孔岩石的能量衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动、能量衰减峰和虚模量峰的强度增大的热激活弛豫规律,这种行波规律也是热激活弛豫机制引起。同时,获得饱和岩石的杨氏模量和弹性波速度对温度和频率的动态响应。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有较明显的频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势,取得与低频共振的驻波试验同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。其结果是研究时温等效的试验和理论基础;同时该研究结果对岩石物理理论模型研究具有很好的指导意义,对现场地震波和声波测试结果和地震勘探资料的解释具有现实意义。

用应力—应变法研究饱和砂岩的黏弹性特征

应用Metravib热机械分析仪,选取适宜实验参数(固定静载为140N,正弦波动载荷为80N,且将总载荷控制在屈服点以下;温度为-30℃～150℃,升温速率为1.5℃/min;频率为1～1000Hz),对泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩进行正弦波单轴循环加载,以研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的变化规律。实验结果表明,饱和多孔岩石的衰减峰峰位表现为随频率增高而向高温方向移动的热激活弛豫规律和Arrhenius关系。该实验与低频共振驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。由分析实验数据还得知:杨氏模量和弹性波波速具有随频率增高而增大、随温度升高而下降的普遍规律;存在较强的频散效应,且频散效应具有随温度升高而减弱的趋势。

饱和砂岩中衰减、模量和速度的流体效应

饱和砂岩中扎隙液体的粘滞系数对饱和砂岩的衰减、模量和速度色散的影响在较低频段是明显的。通过对3种不同粘滞系数的液体饱和砂岩的低频共振实验结果表明，随液体的粘滞系数的增大，衰减显著增大，模量增大，存在明显的模量和速度色散，随液体粘性增强，模量与速度色散也有增强的趋势。

东梁煤矿非饱和砂岩黏弹塑性蠕变分析

为探讨非饱和砂岩的蠕变特征,利用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪对阜新东梁煤矿砂岩进行了不同应力水平的三轴蠕变试验,用改进的流变模型来描述非饱和砂岩蠕变的全过程,并对改进黏弹塑性流变模型的参数进行了确定.研究结果表明:在低中等应力水平作用下,非饱和砂岩因受其成分、结构和水分等因素影响,蠕变变形不稳定,蠕变曲线呈现出不同程度的凹凸变化;在高应力水平作用下蠕变过程相对平稳且出现加速蠕变阶段.考虑非饱和砂岩蠕变具有弹性变形、塑性变形和粘性变形的性质,引入非线性黏壶元件改进了黏弹塑性蠕变模型,模型计算结果与试验结果的吻合度较好.

饱和砂岩在温度和频率域的衰减和速度频散

利用Metravib热机械分析仪,在天然地震的频率和温度范围内,首次对泵油和甘油饱和两种孔隙度的彭山砂岩的衰减和速度频散进行了实验研究.结果表明,①泵油饱和彭山砂岩对频率和温度的依赖呈热激活弛豫规律;②杨氏模量和弹性波速度与孔隙度、温度呈负相关,与饱和液体的黏滞系数、频率呈正相关;③频散效应因频率上升而增强,因温度增高而减弱.这一规律性的结果为地震波理论研究提供了实验基础.

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体(水及油)饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。

封闭和开放的单向冻结条件下饱和砂岩冻胀变形对比试验研究

为了研究实际工程中寒区隧道围岩的冻胀变形规律,分别进行了封闭和开放的单向冻结条件下饱和砂岩冻胀变形的对比试验,研究饱和砂岩在不同环境工况下冻胀变形的规律并加以对比分析。试验表明:饱和砂岩在封闭和开放的单向冻结条件下呈现不均匀冻胀特性,两组试验的冻胀应变变化过程相同,但在各个温度梯度的封闭条件下冻胀速率和冻胀应变值略大于开放条件下冻胀速率和冻胀应变值;在相同温度梯度下发现开放条件的不均匀冻胀系数略小于封闭条件,但随温度梯度增长速率大于封闭条件;两组试验温度场变化都分为快速下降、缓慢下降、稳定3个阶段;试件冻结方向总变形具有3个阶段特征,前两个阶段两组试验类似,为冷缩和缓慢增长阶段,呈第三阶段开放条件下为快速增长阶段,呈线性增长趋势,封闭条件下进入稳定阶段,变形量趋于稳定;封闭条件下试件产生原位冻胀,开放条件下试件先产生原位冻胀,后由于外界水分的补充产生分凝冻胀。

咬合桩+预应力锚索在饱和砂岩层深基坑支护中的应用

甘肃省人民医院7#楼、8#楼在深基坑支护降水过程中采用咬合桩+预应力锚索,通过导板定位、咬合桩硬切割和测斜技术应用,保证了饱和砂岩层深基坑施工安全,提高了经济效益和社会效益,可为同类项目提供借鉴。

盐水饱和砂岩和泥岩的速度各向异性的估测

速度各向异性是地震分析的重要参数，对于海上油田斜井，当必须对速度各向异性影响进行校正来取得与小角度入射地震数据相当的实际声波测井响应时，这一参数就显得尤为重要。然而只有获得单井的标准测井曲线才能对各向异性进行校正。现收集了最近出版的刊物提供的岩心速度各向异性实验数据，来研究各向异性数据同常规洲井曲线之间的直接关系，发现在速度一孔隙度交会图上显示出了明显的速度各向异性趋势。建立一种方法，通过交会图的曲线回归来估测汤姆森各向异性参数ε和γ。本文首先通过这一方法的应用效果来说明校正的重要性，然后对如何建立这一方法进行了总结。同时进一步讨论了利用神经网络的替代方法。最后将本方法同Li（2002）所提出的方法进行了对比。

循环载荷下饱和砂岩的滞弹性衰减与损伤研究

为研究饱和砂岩在弹性范围内的滞弹性衰减与损伤的关系,在0.01~1 000 Hz频率范围和-60℃~190℃温度范围内开展受迫共振和单轴循环加载实验。实验结果显示岩石的响应曲线出现弛豫衰减峰,岩石中频散效应随温度和频率的升高愈发明显。研究表明:应力诱导下岩石内部的微损伤产生运动并相互作用;振动频率的提高促进岩石微裂纹增长;温升和激活能偏小助力微裂纹的萌生和扩展;循环应力也会在岩石内部微观结构不均匀处产生新的疲劳微损伤。虽然导致岩石品质下降的滞弹性微损伤发生在弹性范围内,但在动态和高频载荷作用下其累积效应会加速发展,值得关注。

干燥与饱和状态下马城铁矿砂岩三轴压缩力学特性及强度参数演化规律研究

以马城铁矿含水层砂岩为例,分别进行了10,20和30 MPa围压下的常规三轴压缩试验。结果表明,饱和砂岩的弹性模量普遍小于干砂岩,而泊松比普遍大于干砂岩,并验证了采用断裂体积应变法测量特征应力的可靠性。在干燥和饱和条件下,特征应力与围压呈线性正相关关系。除10 MPa围压下的残余强度外,饱和砂岩的特征应力低于干燥砂岩。相比较而言,水对裂纹萌生应力、损伤应力和峰值强度的削弱作用比残余强度更显著。除了10 MPa围压外,饱和砂岩的峰值断裂体积应变小于干砂岩,并且受围压的影响更大,而且随着围压的增加,峰值断裂体积应变减小。砂岩的峰值体积应变和峰值轴向应变一般随围压的增加而增加,在干燥状态下其值大于饱和状态。Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则可以很好地描述干燥和饱和砂岩的峰值强度、残余强度和围压之间的关系,相应的黏聚力和Hoek-Brown标准参数从残余强度到峰值强度变化较大,而相应的内摩擦角变化相对较小。最后,内摩擦角、残余内摩擦角和Hoek-Brown准则参数的规律进一步验证了水具有软化和润滑砂岩颗粒,降低内摩擦效应和削弱其硬度的作用。研究结果揭示了地下水对马城铁矿砂岩力学性能的影响,可为矿区稳定性分析提供参考。

非饱和红砂岩风化土土水特征及降雨对其边坡稳定性的影响

为防止非饱和红砂岩风化土边坡因水分状态的变化出现失稳破坏,对其开展土水特征及降雨作用下稳定性变化研究。首先,针对不同初始干密度、初始质量含水率条件下的非饱和红砂岩风化土进行脱湿试验,得到其土水特征曲线,通过分析其规律,提出改进指数函数模型,并与F-X模型进行对比。应用该模型进行数值模拟,分析降雨强度及时长对边坡稳定性的影响。结果表明:在参数更少、表达形式更简洁的条件下,改进的指数函数模型达到了与F-X模型相近的拟合精度,并且对残余含水率的估算结果更准确,对红砂岩风化土具有更好的适用性;在降雨持时相同时,降雨强度增大,坡体饱和度增加,边坡稳定性降低;随着降水持时延长,0~6 h段边坡稳定性显著降低,之后稳定性下降较小;短时间的强降雨对于红砂岩风化土边坡稳定性影响较大。

准噶尔盆地M地区低含油饱和度砂岩储层含油非均质性特征

准噶尔盆地M地区三工河组二段是典型的低含油饱和度砂岩储层,纵向上砂岩体内部含油非均质性强,四性关系不明,增加了储层有效性评价和流体识别的难度。利用试油结论、含油级别描述、岩石薄片、高压压汞及测井数据等资料,分析含油非均质性并划分含油条带,厘定了不同含油条带与其岩性、物性、电性响应的关系。结果表明:三工河组二段内单一砂岩体中不同含油级别的条带频繁互层,依据试油结果及含油级别信息可划分出3大类、5小类含油条带(Ⅰ_(1)、Ⅰ_(2)、Ⅱ_(1)、Ⅱ_(2)类和Ⅲ类)。其中,Ⅰ类条带以纯净细砂岩和粗砂岩为主,结构成熟度高,孔喉半径大,孔隙度大于11.0%,渗透率大于7.0mD^(*);Ⅱ类条带细砂岩和中-细砂岩居多,孔隙度为6.0%~11.0%,渗透率为0.2~7.0mD;Ⅲ类条带多为细砂岩(含灰质/泥质/粉砂质),孔隙不发育。针对条带间物性和流体差异通过声波时差和深感应电阻率曲线识别,其中,Ⅰ类条带声波时差大于68.5μs/ft^(*),Ⅰ_(1)类深感应电阻率为14.0~18.5Ω·m,Ⅰ_(2)类深感应电阻率低于14.0Ω·m。含油条带的精细划分能够有效表征低饱和度砂岩储层内的含油非均质性,明确其与岩性、物性、电性响应的关系,也为储层有效性评价、流体性质识别及储量计算提供了依据。

用正弦波加载和超声实验研究饱和砂岩弛豫特征和衰减峰

采用Metravib分析仪在-50℃～100℃温度条件及300-400Hz的正弦波作用下进行泵油饱和砂岩应力应变实验，获得了虚模量温度峰与对应实模量的剧烈亏损规律，显示出饱和砂岩有别于由衰减峰引起的典型粘弹性行为。利用超声法对饱和大理岩与花岗岩样品进行波速和衰减特性测试，获得了大理岩的Biot衰减峰变化规律。该研究对岩石物理理论模型的发展具有重要意义，可以利用岩层的衰减和波速频散特性进行油气藏的预测，降低勘探风险。

冻融和循环载荷作用下对饱和砂岩损伤机理的研究

为研究寒冷地区饱和砂岩的冻融损伤机理,采用DMA450伺服压机,在静载100N、动载80N、波动频率5~200Hz、温度-40~40℃的条件下,进行了饱和砂岩在不同频率正弦波单轴载荷作用下杨氏模量随温度变化的实验研究,获得滞（粘）弹性的弛豫衰减,以及有衰减引起的砂岩样品微结构变化情况。结果表明：饱和砂岩的杨氏模量和弹性波速度随温度升高而降低,随频率提高而增大;-40~20℃温度范围是冻融损伤最严重的区域。同时,在三种低频条件下（1.6Hz、2.8Hz和5.0Hz）用共振法在0℃获得相变衰减峰,反映了饱和砂岩的冻胀融缩效应,其产生的应力导致了饱和砂岩的损伤。从机理来看,前者是微观缺陷的演变,长期积累会导致破坏;后者是一种物理风化作用造成的宏观损伤。本文结果可为研究寒冷地区饱和岩石冻融损伤的机理及规律提供一定的参考。

盐水干湿循环后砂岩物理力学特性试验研究

四川地区降雨蒸发、库区水位涨落等因素严重影响该地区边坡工程的稳定性。以盐水(5%NaCl)为浸泡溶液对不同干湿循环次数(0,5,10,20次)作用后饱和砂岩开展三轴压缩试验,分析其物理力学参数劣化规律,进而揭示盐水和干湿循环共同作用对饱和砂岩的损伤机理。研究结果表明:随着干湿循环次数增加,砂岩质量先增加后降低,而渗透率先降低后增加,干湿循环5次为试样质量变化率和渗透率的阈值;干湿循环作用后试样的峰值强度、内摩擦角、黏聚力以及弹性模量均小于干燥砂岩,并且随循环次数增加,试样峰值强度、黏聚力逐渐降低,而内摩擦角表现为先减小后增加;试样弹性模量随围压增加呈不同变化趋势;干湿循环对砂岩破坏模式无明显影响,即单轴和三轴压缩下试样分别呈轴向劈裂和剪切破坏。在干湿循环过程中,砂岩内部矿物颗粒逐渐流失,造成内部孔隙增大,是诱发岩石产生损伤的根本原因。