不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究

随着页岩气开采、废水回注和CO₂地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。     

砂岩脆性临界破坏声发射信息应力比分析

根据岩石脆性破坏的本构方程和三维重整化理论,推导出了岩石破裂前声发射信号激增的临界点所对应的应力和岩石峰值应力比值的数学表达式。通过测试深部紫红色砂岩单轴加载变形破裂全过程中力学与声发射特征,得到了全过程力学特征曲线、声发射能量累计数等相关数,发现岩石破裂前声发射突增点所对应的应力与岩石临界点相对应。单轴刚性加载条件下岩石脆性破裂前声发射突增点所对应的应力与峰值应力比值大部分近似在74%左右,误差在±9%以内。     

脆性不同岩石的声发射能量特征研究

为研究不同脆性岩石的声发射能量特征,利用4种脆性不同岩石进行常规单轴压缩试验,加载同时进行声发射信号检测,得到了应力-应变曲线和声发射能量曲线。结果表明,试样砂比越大,脆性越强;峰值之前,各试样应力-应变曲线形状相似,均无明显塑性变形段,最大的区别在于各曲线斜率不同,而声发射曲线可明显区别出塑性变形段,并且随着脆性增强,塑性段在变短;峰值处,声发射能量达到最大值,且最大值与试样脆性指数满足乘幂函数关系;峰后应力瞬间降落到底,声发射能量持续较短时间,随着脆性增强,声发射活动持续时间在缩短。     

遍布节理试样压剪加载下的力学特性及声发射特征研究

节理岩体的力学性质对指导工程设计、施工具有重要的意义。为研究组合节理参数对遍布节理试样的力学性质影响,采用类岩材料预制不同节理倾角、间距的遍布节理试样并进行压剪试验。根据高清相机记录的不同节理试样的破坏特征,试样的破坏模式可分为平面剪切破坏、类完整性剪切破坏和斜剪切破坏,节理间距会改变试样的破坏模式而节理倾角对试样的破坏模式有关键性影响。分析不同节理参数试样的峰值剪切强度,遍布节理对试样的弱化程度达到15.95% ~56.62%,节理试样的峰值剪切强度随着节理间距的增大逐渐增强而随着节理倾角的增加先增后减。此外,采用声发射设备实时监测试样加载过程以分析不同节理参数试样的声发射特征。在压密阶段,节理试样的声发射最大撞击数随节理间距减小而增大。声发射峰值能量随节理间距减小而减小,但均值能量随节理间距减小而增大;试样的峰值能量和均值能量随节理倾角增大均呈现先增大后减小的规律。     

不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射（AE）三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。     

岩石多功能剪切试验测试系统研制

详细介绍了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统的主要功能、技术指标和仪器组成,并开展了一系列相关力学试验。该试验测试系统主要包括试验装置、测量系统和控制系统3部分,最大法向拉伸应力为40 MPa,最大法向压缩应力为120 MPa,最大水平剪切应力为120 MPa,试样尺寸为50 mm?50 mm?50 mm;可开展多种力学试验,包括直接拉伸试验、直接剪切试验、拉伸-剪切试验和压缩–剪切试验。利用该试验测试系统对花岗岩进行试验研究,研究结果表明：直接拉伸试验中,试样发生脆性破坏,声发射信号瞬间达到峰值,破坏断面表现出拉伸破坏特征;直接剪切试验中,试样发生多次破坏,破坏瞬间声发射信号均发生突增,破坏断面表现出剪切破坏特征;拉伸-剪切试验中,试样在拉应力作用下剪切强度显著降低,声发射信号在破坏阶段表现强烈,破坏断面既有拉伸破坏特征也有一定的剪切破坏特征。上述力学试验结果,表明了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统能够开展多种力学试验,为进一步研究岩石的剪切力学特性提供新的测试手段。     

单轴压缩下红色砒砂岩水泥土的能量演化机制研究

砒砂岩水泥土受荷变形的过程中伴随着能量的积聚和耗散,在能量的驱动下致使水泥土变形破坏。为了探寻单轴加载过程中砒砂岩水泥土的能量演化规律,根据不同养护龄期和不同水泥掺量下砒砂岩水泥土在变形破坏过程中总能量、峰值点总能量、峰值点弹性应变能、峰值点耗散能的演化规律,从能量的角度分析了龄期和水泥掺量对砒砂岩水泥土的影响。研究表明:能量耗散与砒砂岩水泥土的强度衰减密切相关,试样受荷过程中的损伤情况可以用耗散能的多少来反映,砒砂岩水泥土单轴受压破坏的整个过程中,破坏总能量和耗散能均呈“S”状增长,弹性应变能呈先增加后减小的“凸”状趋势发展;随水泥掺量的增加有效能比也随之增加,不同龄期下各水泥掺量的砒砂岩水泥土都是以吸收弹性能为主,而峰值点应变能可以代表水泥土试样的储能极限,因此有效能比、峰值点应变能能够很好地反映砒砂岩水泥土抵抗破坏的能力。通过利用能量分析原理对砒砂岩水泥土的变形过程进行研究,可以打破以往仅仅利用传统的应力-应变强度来描述其破坏特征的思路,为该类材料的受荷变形分析提供了新的方法和思路。     

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。     

盐岩压剪条件下的损伤特性研究

为了解盐岩在压剪受力状态下的损伤特性,设计了不同放置角度的盐岩压剪试验和声发射信号采集试验,研究了盐岩试件在不同剪切角度下的损伤力学特性和声发射信号特征。针对压剪受力状态,从一般力学模型入手,讨论建立了关于剪应力和正应变的剪切损伤模型。试验结果表明,随放置角度的增大,盐岩的力学特性由塑性为主要特征逐渐转为脆性为主要特征;试验中放置角度越大,盐岩试件峰值剪应力越小,试件整体承载能力也呈下降趋势,试件的变形能力减弱,抗变形能力则随放置角度增大而先增大后减小,45°时达到最大。声发射信号表明,盐岩由于其自身的结构和损伤破坏特征,盐岩在压剪受力状态下的声发射信号比较明显;试件的放置角度为55°、65°时,在屈服阶段AE计数波动相对越剧烈,试件破坏的也越快;试件的放置角度小于45°时,AE计数呈递增式增长,峰值一般出现峰值应力附近。     

天然和饱水状态下泥岩力学性质及损伤变形能量特征分析

为研究三溪村滑坡滑带泥岩的力学性质和滑带的形成机制,进行天然和饱水状态下单轴和常规三轴压缩试验。结果表明:饱水状态对泥岩的变形强度、破坏形式和围压效应具有显著影响,饱水使泥岩的应力应变曲线由应变软化型转化为"弹-塑-蠕变"型,破坏形式由剪断破坏变成塑性破坏,围压敏感性减弱,而似软化系数随围压的增加而减小。从能量角度分析表明:两种状态下能量的变化规律相似,但天然状态能量以弹性应变能储存,饱水以耗散能释放,且饱水使总应变能U、峰前弹性应变能Ue及二者的变化速率均小于自然状态,而耗散能Ud则相反;试样峰值点和残余点处各应变能具有围压效应,呈线性递增关系。饱水导致各应变能的累积、转化、耗散和释放的差异,使得弹性应变能急剧降低,耗散能增加,力学强度也伴随着滑带的损伤变形而产生衰减效应。     

饱水度对砂岩模量及强度影响的三轴试验

为研究饱水度和围压对砂岩力学特性的影响,在不同围压和饱水度下开展三轴试验,获得了不同饱水度和围压下巴里坤砂岩的模量、峰值强度和残余强度,分析了饱水度和围压对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响规律,结果表明：（1）围压增加,砂岩的模量也增加,围压与模量之间近似为直线关系;饱水度增加,砂岩模量降低,单轴下饱和砂岩的模量降低50.9%;饱水度与砂岩模量之间近似服从直线或负指数函数关系。（2）饱水度增加,峰值强度下降;单轴条件下饱和砂岩的峰值强度下降了44.2%;饱水度与砂岩峰值强度之间近似服从自然对数关系。（3）强度退化指数可以较好地描述围压对残余强度的影响,巴里坤砂岩的强度退化指数与围压之间近似符合负指数关系;随着饱水度增加,砂岩的残余强度降低。（4）随着围压增加,饱水度对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响都减弱。（5）饱水度在60%以下时,饱水度变化对模量和峰值强度的影响显著,当饱水度超过60%后,模量和峰值强度仍随着饱水度增加而降低,但变化速率趋缓;对于残余强度,则饱水度在80%以下时影响显著。     

不同含水状态砂岩分级循环荷载试验研究

为探究不同含水状态砂岩在循环荷载作用下的力学行为差异,对干燥、天然以及饱和三种含水状态下的砂岩进行了单轴分级循环加卸载试验。研究结果表明:由于水对砂岩的物理化学软化作用,饱水、天然以及干燥状态下的强度依次递减,而变形依次增加;卸载模量随着循环周次的增加呈先增大后减小的整体趋势,同一循环周次下,含水量越高,其卸载模量越小;体积应变开始出现拐点时的循环周次正好与卸载模量转折点所处的加卸载周次相对应;能量值随循环周次的增加均呈幂函数型增长,同一循环周次下,含水率越高的砂岩各项能量值越大;基于能量耗散的损伤定义表明:砂岩初始损伤值不为零,且均经历了一个先减小后增大的损伤演化过程,相同循环周次下,饱和、天然以及干燥砂岩的损伤量依次增大。     

单轴压缩下两类脆性岩石声发射特征试验研究

本文主要研究花岗岩和砂岩两种脆性岩石的详细声发射特征。通过对花岗岩和砂岩样品进行单轴压缩试验,并在试验过程中监测样品破裂全程的声发射信号。对试验结果的分析包含了力学特性分析和声发射特性分析,声发射特性分析使用了多种参数:累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值。研究主要获得了如下结果:（1）获取了岩石样品的变形参数与强度参数,并分析了其离散性;（2）岩石样品内部颗粒的胶结强度与结构的均匀性对累积声发射计数、累积声发射能量的影响;（3）需要通过进一步试验研究来确认采用AF和RA值来区分岩石类材料张拉和剪切裂纹模式的合理性及其阈值;（4）砂岩样品在接近破坏时,微裂缝活动仍然占据主导地位。文章对脆性岩石样品在单轴压缩条件下的力学特性和声发射特性进行了详尽细致的分析,发现了单轴压缩条件下脆性岩石的一些重要特性,为进一步的试验研究工作提供了基础。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况,首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验,获得其物理力学参数;而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速,将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0,测量此时砂岩声波波速,利用声波法定义损伤,研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明:单轴压缩下,砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低,而峰值应变变化呈相反趋势;总功及弹性能随含水率增加而下降,耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小,实验后声波波速随含水率升高而下降,且下降趋势较实验前更迅速;砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。      

不同围压下砂岩的变形力学特性与损伤机制

开展不同围压下砂岩的强度、变形和损伤演化研究,对岩体工程的结构设计和稳定性评价具有重要意义。对赵固一矿二1煤层顶板砂岩进行试验获得其力学参数,并采用颗粒流程序获得砂岩细观力学参数,结合编制的fish语言程序进行试验,研究砂岩在不同围压的强度、变形和损伤演化机制,得到如下结论:随着围压增加砂岩的屈服段变长,围压小于40 MPa时峰值强度随围压变化敏感,大于40 MPa时敏感性降低,随着围压增加砂岩由脆性破坏逐步转变为延性破坏;砂岩的扩容经历线性体缩、线性扩容和非线性扩容3个阶段,围压增大线性扩容阶段缩短而非线性扩容阶段增加,扩容指数和扩容起始点轴向应变与围压存在指数变化规律;砂岩的损伤破坏经历损伤弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和主控破裂面形成4个阶段,低围压下砂岩沿单一主控破裂面发生压剪破坏,高围压下主控破裂面呈X型交叉破坏岩体,为X型共轭斜面剪切破坏形式。      

碎屑砂岩三轴压缩下强度和变形特性试验研究

基于碎屑岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差、呈孔隙式胶结接触等特点,对碎屑砂岩首先开展了物理特性试验分析,认为其微、细观结构复杂、内部破坏严重,矿物成分为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,属微透水、小孔隙率砂岩,且渗水化学侵蚀并不显著。其次,开展了静水压力、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了碎屑砂岩的强度和变形破坏特性。最后,初步探索了物理特性与强度变形特性的关系。结果表明,静水压力为2.6 MPa时,岩样内部微缺陷压密完成;单轴压缩曲线呈明显6阶段特征,峰值应力达0.98 MPa,属脆-延性破坏;三轴压缩条件下,岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,轴向压缩和环向体积扩容达6%和4%;曲线无明显破坏荷载,呈现非线性、塑性硬化、存在屈服平台和体积由压缩向扩容过渡等特性。且体积扩容破损应力与屈服应力基本相同,扩容转折点随围压增加而增大,围压可增强岩样抵抗变形破坏的能力。试验结果旨在为岩石工程稳定分析及本构模型构建提供可靠的依据。     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

Fracture evolution and energy mechanism of deep-buried carbonaceous slate

In order to study the influence of confining pressure and water content on the mechanical properties, fracture evolution and energy damage mechanism of deep-buried carbonaceous slate, uniaxial and triaxial compression tests were carried out under natural and saturated states and acoustic emission monitored. The deep-buried carbonaceous slate samples were obtained at a depth of 1020 m from the Lanjiayan tunnel in Sichuan province, China, where the maximum in situ stress has been measured at 44.2 MPa. The results suggest that water has a significant softening effect on the strength and deformation characteristics of carbonaceous slate, but the effect decreases with an increase in the confining pressure. When both the confining pressure and water content are increased, the acoustic emission events and dissipated energy gradually increase at the pre-peak and post-peak stages. Thus, the AE evolution type seen in the natural state under low confining pressure usually presents as a main shock-type event, and it changes to a foreshock–main shock–after shock event when saturated and at high confining pressures. Based on the S-shaped energy evolution law, the damage evolution process of carbonaceous slate was analyzed. The damage stress thresholds σ _ea and σ _eb were obtained, which can be considered as the thresholds of the rock entering the energy-hardening and energy-softening stages. Finally, a new brittleness energy index BDE is proposed to describe the influence of confining pressure and water content on the damage mechanism of deep-buried carbonaceous slate.     

Mechanical Behaviour of Reservoir Rock Under Brine Saturation

Acoustic emissions (AE) and stress–strain curve analysis are well accepted ways of analysing crack propagation and monitoring the various failure stages (such as crack closure, crack initiation level during rock failure under compression) of rocks and rock-like materials. This paper presents details and results of experimental investigations conducted for characterizing the brittle failure processes induced in a rock due to monocyclic uniaxial compression on loading of two types of sandstone core samples saturated in NaCl brines of varying concentration (0, 2, 5, 10 and 15 % NaCl by weight). The two types of sandstone samples were saturated under vacuum for more than 45 days with the respective pore fluid to allow them to interact with the rocks. It was observed that the uniaxial compressive strength and stress–strain behaviour of the rock specimens changed with increasing NaCl concentration in the saturating fluid. The acoustic emission patterns also varied considerably for increasing ionic strength of the saturating brines. These observations can be attributed to the deposition of NaCl crystals in the rock’s pore spaces as well some minor geo-chemical interactions between the rock minerals and the brine. The AE pattern variations could also be partly related to the higher conductivity of the ionic strength of the high-NaCl concentration brine as it is able to transfer more acoustic energy from the cracks to the AE sensors.