注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响

为探究注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响,对不同注采参数下高温遇水冷却后花岗岩进行纵、横波波速测试试验和抗压强度试验。分别考虑注采参数（岩样温度、水温、高温遇水循环次数） 与岩样物理力学特征（外观形态、峰值强度、弹性模量、泊松比）、波动特征（纵、横波波速） 的关联性,建立不同注采参数下力学特征与波动特征拟合曲线,并研究搁置过程中不同岩样温度、不同水温条件下岩体物理力学及波动特征变化规律。研究发现：（1） 搁置初期,岩样温度越高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅越大;水温升高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅先增大后减小。（2） 对采热过程中岩体物理力学及波动特征影响由大到小的注采参数依次为靶区温度、注水循环次数、注水温度。提升岩样温度、增加注水循环次数,岩样力学与波动特征均逐渐下降,提高注水温度变化规律与其相反;经历600℃高温,岩样纵波波速、横波波速、峰值强度、弹性模量降幅分别达到53.44%、58.02%、66.56%、79.84%,高温遇水循环5 次 后降幅依次达到33.61%、33.63%、34.22%、56%。（3） 影响岩样力学与波动特征关联性的注采参数由大到小依次为岩样温度、高温遇水循环次数、水温。此研究能够为松辽盆地热采注采参数的选取提供一定参考。     

砂岩高温前后超声特性的试验研究

对焦作砂岩经历不同温度（100 ℃～1 200 ℃）前后超声纵、横波波速和几何尺寸进行了量测,进行了单轴抗压强度试验,计算了超声波纵波经过岩样的衰减系数,应用波速与弹性模量的关系计算了岩样的裂隙密度。比较了经历不同温度前后的岩样体积、超声波速、衰减系数的变化。结果表明,岩样在经历高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;对经历不同温度后的岩样波速改变与强度变化规律有明显差异,但超声衰减系数与强度变化规律相似,可以为强度评价提供一定参考。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性试验研究

观察500℃内高温花岗岩遇水冷却后的物理力学特性试验研究和SEM图像发现,高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性随温度变化规律,揭示其细观机制。结果表明,(1)高温花岗岩遇水冷却后体积随温度升高而膨胀,而质量和密度随温度升高而减小,500℃时体积增加1.32%,质量减小0.21%,密度减小1.51%;(2)纵波波速和横波波速皆随温度升高而降低,且前者降低幅度大于横波波速的,500℃时分别降低64.9%、46.8%;(3)单轴抗压强度和弹性模量随温度呈减小趋势,500℃时分别减小51.9%、58.6%,温度大于300℃时花岗岩表现出明显的塑性特征;(4)温度大于300℃时花岗岩内部微裂纹数目不断增多,尺寸不断增大,并逐步交叉、贯通形成微裂纹网络,导致高温花岗岩遇水冷却后物理力学性质的劣化。     

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。     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

不同冷却条件对高温砂岩物理力学性质的影响

岩石工程可能会经受高温环境。岩石高温后冷却方式的不同往往会导致岩石物理力学性质产生重大变化,这对岩石工程的稳定性、渗透性等都会产生重要影响。采用核磁共振（MRI）、电镜扫描（SEM）和单轴压缩试验对100、300、500、600、800 ℃ 5种不同温度砂岩经两种不同冷却方式（自然冷却和水中冷却）后的孔隙率、孔径分布、峰值强度、峰值应变、应力-应变关系以及微观结构变化等进行研究。试验结果表明：自然冷却时,高温砂岩强度并非随温度升高而持续降低,而水冷却会导致砂岩强度持续降低,且降低幅度远超自然冷却;500 ℃可以看作不同冷却方式对砂岩孔隙率影响的临界值,超过500 ℃,水冷却方式会导致孔隙率急剧增长,大孔径（Ф 10 μm）孔隙所占比例也高于自然冷却,因此,高温砂岩工程采用水冷却方式（如隧道着火后用水灭火）要充分考虑由此可能带来渗透危害;SEM测试表明,当温度 500 ℃时,水冷却对裂纹的增宽和扩展产生促进作用;当温度达到800 ℃时,水冷却砂岩孔洞变大,裂隙更加发育,并贯通连成网络,这会导致透水性大幅提高,同时,这也是该温度水冷却导致强度急剧降低的原因之一。     

高温对细砂岩力学性质影响机制的试验研究

为了研究高温对细砂岩力学性质的影响,对经历400℃~1000℃高温后细砂岩试样进行X衍射、电镜扫描及单轴压缩试验,分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。结果表明:高温后细砂岩试样内矿物发生了多晶转变,经历600℃以内高温试样内石英含量随温度升高增加,晶体衍射强度增强,600℃高温试样可观察到明显熔融和重结晶现象,超过600℃高温后试样内石英含量随温度升高降低,晶体衍射强度减弱,裂隙数量增多,裂隙宽度和长度有所增加,裂隙可分沿颗粒边界裂隙和穿过颗粒裂隙,600℃约为主要矿物石英变晶的临界温度;经历400℃~800℃高温后试样的纵波波速与温度呈线性降低;经历600℃以内高温对试样的强度具有强化作用,超过600℃高温后试样强度开始弱化,600℃可作为试样强弱转化的阈值温度;经历400℃高温后试样弹性模量、变形模量随温度升高稍有增加,初始模量和峰值应变基本保持不变。超过600℃高温后试样的变形参数随温度升高有所降低,超过400℃高温后峰值应变随温度升高单调增加,高温对细砂岩试样变形参数的影响较为敏感。     

不同冷却方式下高温花岗岩细观损伤量化和机理分析

冷冲击是一种导致高温岩石破裂从而有效提高地热储层渗透性的方法。为了对不同加热温度下冷冲击后造成的花岗岩损伤程度进行定量分析,探究冷冲击作用下的损伤机理,利用岩石薄片观察和SEM扫描技术对自然冷却和遇水冷却下的高温花岗岩样损伤进行分析。结果表明,当加热温度从200℃提高到800℃时,岩样中心处的薄片A在自然冷却和遇水冷却下的裂隙密度分别增加了17.6%~144.7%和27.6%~163.7%,距圆心12.5 mm的薄片B在自然冷却和遇水冷却下的裂隙密度分别增加了40.1%~202.8%和61.3%~222.7%。随着加热温度的升高,花岗岩损伤程度变大;遇水冷却比自然冷却对花岗岩的损伤程度更大;而由于热梯度的存在,离试样表面越近所受的损伤程度越大。花岗岩试样热损伤是矿物颗粒膨胀和收缩、冷冲击以及热物理化学变化等机制混合作用的结果。研究结果不仅为理解冷冲击对高温花岗岩损伤的影响提供实验参考,且对指导热刺激法在储层改造中的应用至关重要。      

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化（100～ 600 ℃）,周期次数为8次。进行高围压（60 MPa）作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

高温后花岗岩巴西劈裂抗拉实验及超声特性研究

采用非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究不同温度（25 ℃～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性,分析不同温度条件下花岗岩的劈裂抗拉强度。结果表明,（1）高温后花岗岩的纵波波速、超声波形以及劈裂抗拉强度都与温度的变化密切相关;（2）随着温度的增高,花岗岩试样的纵波波速和劈裂抗拉强度逐渐减小,经历1 000 ℃高温后,纵波波速下降90%,劈裂抗拉强度下降65%,并且,纵波波速和抗拉强度间存在一定的相关性;（3）超声波波形随温度升高由整齐变混乱,由密集变稀疏,尤其在800 ℃波形变化最明显;（4）花岗岩试样的热损伤不断增加,经历1 000 ℃热损伤后,试样的脆性增加,变得轻脆易碎。     

不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。     

水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律研究

为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30~70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明:(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50% ~72%。浸泡30~40d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30~70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30~70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的认识,同时也为盐渍岩土工程问题提供了理论参考。     

人工冻土声波参数试验研究

用ＳＹＣ－２型声波探测仪，对取自淮南矿区井下冻粘土，冻砂土进行了测定。其声波纵横波速振幅衰减系数及动弹模与冻土温度、含水量、容重的关系均用于幂指数形式较好地描述。其中容波速，动弹模及振衰减的影响最大；其次为温度、含水量；冻土振幅度衰减系数对其物理参数变化的敏感性大于波速。另外还研究了冻粘土与冻砂土怕波特性差异、截载大小及加载时间对冻土怕特性影响。