V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

二氧化碳注入砂岩透镜体中裂缝扩展模拟

二氧化碳地质封存技术是一种减少二氧化碳排放量的有效方式。砂岩透镜体具有良好的储-盖组合,是较为理想的二氧化碳封存场址。砂岩透镜体中注入超临界二氧化碳引起的裂缝萌生、扩展、演化等一系列复杂问题直接决定着封存的安全性。利用ABAQUS数值模拟软件,基于扩展有限元法（XFEM）建立流-固耦合模型,通过将超临界二氧化碳注入砂岩透镜体,观察透镜体内部砂岩储层裂缝破裂过程。数值模拟研究得出结论:在透镜体产状不同的条件下,倾斜透镜体相对于水平透镜体封存能力较差,不适宜进行二氧化碳封存;将二氧化碳以3种不同的流速充注到砂岩透镜体中,流速增加不利于封存的安全性,但是裂缝长度和形态没有发生明显变化;裂缝在扩展过程中裂缝首先变宽成为导流通道,然后变长扩展,裂缝尖端应力先增大达到峰值然后逐渐降低,最终裂缝停止扩展。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

VG模型参数选择对咸水层CO_2封存的影响研究

在使用TOUGH2程序模拟咸水层CO2封存时,常使用VG模型计算岩石表面毛细压力,而岩石表面毛细压力的大小则会直接影响CO2在咸水层中运移形式和储存量。总结了不同类型常见砂泥岩的VG模型参数取值范围,基于松辽盆地典型储盖地质结构特征,运用TOUGH2构建了二维CO2封存模型,设计3组算例对比分析了VG参数取值对咸水层CO2封存的影响。研究结果表明:VG模型参数值大小取决于岩石的性质,TOUGH2使用的VG模型缺省值仅适用于小部分岩石;盖层的3个VG模型参数取值对咸水层CO2封存效果影响很大,单纯微调部分VG参数仍不能提高模拟可信度,而对于高、中渗透率储层,VG模型参数取值对模拟结果影响较小。因此,咸水层CO2封存模拟时,应结合储盖层岩性特征赋VG模型参数值。     

江汉盆地江陵凹陷二氧化碳地质封存数值模拟

通过建立江汉盆地江陵凹陷新沟嘴组储层和盖层的二维模型,对江陵凹陷进行了CO2地质封存数值模拟研究,分析了注入CO2的运移分布和溶解扩散情况,并对储盖层垂直方向的渗透率进行了敏感性分析.结果表明,所建的二维模型能够较好地描述CO2在储层中的运移过程和分布状况,而且在实际地质封存工作中必须要考虑一些地质上的因素如储盖层的渗透率、毛细管压力、岩石矿物组分丰度等的变化对封存效果的影响.     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂试验研究

为了了解砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂力学性能,采用含有裂纹面垂直于底面但倾斜于正背面的三点弯曲(TPB)试件实现面外断裂。使用Abaqus通过有限元法研究了不同裂纹面倾斜角下沿着试件厚度的Ⅰ型、Ⅱ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子。通过讨论可知,在靠近试件厚度中点处Ⅰ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子取得较大值,而Ⅱ型无量纲应力强度因子取得接近于0的可以忽略的极小值,且靠近自由面处的应力强度因子不作考虑。故该种试件可用于测量材料的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂性能。数值计算结果与常规TPB试件的解析公式及倾斜裂纹面TPB试件的近似计算公式的结果进行对比,证明了数值模拟结果的准确性并讨论了近似公式存在的问题。使用7组共28个该种三点弯曲试件,研究砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂特性,结果表明:砂岩的Ⅰ型与Ⅲ型临界应力强度因子随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,但其变化趋势不同;砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型等效断裂韧度随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,在倾斜角接近20°时取得最大值。裂纹扩展时裂纹面将发生扭转,倾斜角θ越大则扭转角度越大。     

砂岩的I/III复合型断裂试验研究

为了了解砂岩的I/III复合型断裂力学性能,采用含有裂纹面垂直于底面但倾斜于正背面的三点弯曲（TPB）试件实现面外断裂。使用Abaqus通过有限元法研究了不同裂纹面倾斜角下沿着试件厚度的I型、II型与III型无量纲应力强度因子。通过讨论可知,在靠近试件厚度中点处I型与III型无量纲应力强度因子取得较大值,而II型无量纲应力强度因子取得接近于0的可以忽略的极小值,且靠近自由面处的应力强度因子不作考虑。故该种试件可用于测量材料的I/III复合型断裂性能。数值计算结果与常规TPB试件的解析公式及倾斜裂纹面TPB试件的近似计算公式的结果进行对比,证明了数值模拟结果的准确性并讨论了近似公式存在的问题。使用7组共28个该种三点弯曲试件,研究砂岩的I/III复合型断裂特性,结果表明：砂岩的I型与III型临界应力强度因子随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,但其变化趋势不同;砂岩的I/III复合型等效断裂韧度随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,在倾斜角接近20°时取得最大值。裂纹扩展时裂纹面将发生扭转,倾斜角θ越大则扭转角度越大。     

浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义,而岩石的破坏常常有水参与,在库水长期浸泡作用下,岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此,以库岸边坡典型砂岩为研究对象,设计了长期浸泡试验,并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明:(1)浸泡作用下,砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势,而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势,浸泡5~6月后,劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段,随着浸泡时间的增长,弹性阶段逐渐变短,屈服阶段逐渐变长,裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓,而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大,砂岩有逐渐"变软"趋势,脆性逐渐减弱,塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化,特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.     

浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义, 而岩石的破坏常常有水参与, 在库水长期浸泡作用下, 岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此, 以库岸边坡典型砂岩为研究对象, 设计了长期浸泡试验, 并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明: (1)浸泡作用下, 砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势, 而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势, 浸泡5~6月后, 劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段: 弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段, 随着浸泡时间的增长, 弹性阶段逐渐变短, 屈服阶段逐渐变长, 裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓, 而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大, 砂岩有逐渐“变软”趋势, 脆性逐渐减弱, 塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化, 特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.      

松辽盆地宋站南地区扶杨油层运聚成藏机制及主控因素

通过油藏解剖和油成藏条件空间配置关系,对宋站南地区扶杨油层油运聚成藏机制和主控因素进行了研究,得到宋站南地区扶杨油层油主要来自青一段源岩。油源区内扶杨油层油运聚成藏模式为:三肇凹陷青一段源岩生成的油在超压作用下通过T2源断裂向下“倒灌”运移进入扶杨油层后,再在浮力作用下沿断裂向高断块圈闭进行短距离的运聚成藏。油源区外扶杨油层油运聚成藏模式为:三肇凹陷扶杨油层中的油在浮力作用下沿被断裂沟通的砂体侧向运移至宋站南地区,在断层上升盘圈闭中聚集成藏。油源区内扶杨油层油成藏主要受以下3个因素控制:①青一段源岩生成的油向下“倒灌”运移区控制着油藏形成与分布区域; ②T2源断裂控制着油运聚的部位;③断裂上升盘是油聚集的主要场所。油源区外扶杨油层油成藏主要受以下2个因素控制:① 位于运移路径上或附近的圈闭才能形成油藏;②断裂上升盘有利于油藏形成。综合上述研究可以得到油源区内T2源断裂附近和油源区外运移路径附近的断裂上升盘应为油勘探的有利目标。     

柴达木盆地乌南油田N12、N22碎屑岩储层特征及其影响因素分析

利用岩石和铸体薄片、扫描电镜、元素分析、压汞等分析测试手段,特针对N12和N22碎屑岩储层特征、成岩作用以及影响因素,对30余口井的样品和资料进行了分析研究。结果表明,乌南油田N12和N22砂岩储层岩石类型为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩;经历的主要成岩作用类型有粘土膜（粘土环边）的形成、机械压实作用、胶结作用、交代作用和溶解作用。砂岩储层孔隙类型主要是次生孔隙和原生粒间孔隙,其中次生粒间溶孔占绝对优势,其次是基质内微孔隙和裂缝孔隙。孔隙度多为8%～18%,渗透率多为0.5×10-3～10×10-3 μm2,属中低孔低渗储层。影响研究区储层物性的主要因素有沉积相带、成岩作用和孔隙结构,其中最有利的储集砂体微相为分流河道和河口坝（细砂岩和粉砂岩相）,其次为远砂坝粉砂岩相,间湾薄层砂岩储集性能差。胶结作用和溶蚀作用是影响乌南油田N12和N22储层的最主要的成岩作用。     

四川盆地东北部三叠系飞仙关组硫酸盐还原作用对碳酸盐成岩作用的影响

四川盆地东北部三叠系飞仙关组存在广泛的硫酸盐还原作用,同时地层中也存在锶含量异常高的成岩流体。研究表明:热化学硫酸盐还原作用（TSR）和（或）细菌硫酸盐还原作用（BSR）造成的SO42-离子的消耗对成岩孔隙流体中SrSO4溶解度的改变是三叠系中高Sr成岩流体的形成机制之一,该机制使得孔隙流体从白云石化作用和碳酸盐矿物的新生变形作用中获得的Sr在流体中以高浓度的Sr2+形式存在,并使之在流体中极度富集,这也是四川盆地东北部三叠系中大型和超大型天青石矿床的形成机制之一。H2S和CO2是硫酸盐还原作用的重要产物,不同温度条件下溶于水中的H2S和CO2,与不溶于水的气体分子之间的平衡反应H2S（aq）H2S(g)和CO2(aq)CO2(g)的平衡常数和吉布斯自由能增量计算表明,当温度从25℃升高至220℃时,两个反应的平衡常数分别大致从10增至240和从20增至500,两个反应的平衡常数都始终大于1,说明H2S和CO2更趋向于以气体形式存在,同时温度越高,系统中以气体形式存在的H2S和CO2会越多,溶解于水中的H2S和CO2会越少,因而在深埋藏的高温条件下,H2S和CO2对碳酸盐矿物的溶解能力可能相对很小。相对低温的成岩环境、高温流体的向上和侧向运移、构造抬升、富氧流体与含有H2S流体的混合以及金属硫化物的沉淀是提高含H2S和（或）CO2流体对碳酸盐矿物溶解能力的五个途径。因此,与较早成岩阶段相对浅埋藏环境的碳酸盐溶解作用有关的H2S和CO2流体可能与细菌硫酸盐还原作用（BSR）关系更为密切;断层或其它流体运移通道是高温含有H2S和CO2流体向上运移的基础条件,具有原生孔隙度和渗透率的礁、滩相高能沉积物也是流体发生侧向运移的先决条件;大幅度的构造抬升造成的地层温度降低是提高含H2S和（或）CO2地层流体对碳酸盐矿物溶解能力的重要因素,地壳抬升至近地表造成的古喀斯特作用也可以为H2S的氧化提供良好的地质环境。在有关的勘探中应注意:在断层等流体运移通道造成高温含H2S和CO2流体向上运移的条件下,与之有关的构造低点应该是主要的勘探目标;在燕山运动导致的地层抬升并导致深部热流体降温的条件下,与之有关的构造高点应该是主要的勘探目标,应分别对待。     

危岩水力劈裂分析的扩展有限元法

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。     

三肇凹陷青山口组源岩生成油向下“倒灌”运移层位及其研究意义

为了研究三肇凹陷青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移层位,对油向下“倒灌”运移机制及条件进行了研究,得到三肇凹陷扶杨油层同时具备①青山口组源岩目前应具有足够大的超压;②存在连通青山口组源岩和扶杨油层的T2断裂2个条件,青山口组源岩生成的油能够在超压的作用下在嫩江组沉积末期、明水组沉积末期和古近系沉积末期通过T2断裂向下伏扶杨油层中“倒灌”运移。利用压力封闭原理,对三肇凹陷青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移距离进行了研究,得到三肇凹陷青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移距离一般大于500 m,而三肇凹陷扶杨油层地层厚度最大只有500 m,表明三肇凹陷青山口组源岩生成的油可以向下“倒灌”运移至整个扶杨油层的任何部位。目前三肇凹陷扶杨油层从上至下均含油,且已找到的油藏均分布于青山口组源岩生成的油能够向下“倒灌”运移分布范围内或附近,这表明青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移层位控制着油气富集层位,青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移分布范围控制着三肇凹陷扶杨油层油藏形成与分布范围。青山口组源岩生成的油向下“倒灌”运移分布范围及其附近应是三肇凹陷扶杨油层油下一步勘探的有利地区。     

Fracture Mechanics Approach for In-situ Stress Determination by Hydra- Fracturing

A new fracture mechanics approach for in-situ stress determination by hydra-fracturing is proposed. It improves the fracture mechanics method as presented by Abou-Sayed etc. (1978). The accuracy of determination of the maximum horizontal stress (σHmax) is considerably enhanced by replacing fracture toughness of rock, K1c, and preexisting crack length L in rock by a new parameter U(U=K1c/√2) . The reason is that K1c is related to crack length L when crack length is smaller than a critical value and to determine the length of preexisting crack in rock as accurate as possible is very difficult. In addition the parameter U can be directly measured through a simple hollow-cylinder burst test. Based on recent experimental tests of fracture toughness of rock the new parameter U appears to be a constant when crack lengths are smaller than a certain critical value . The parameter √2 U may be taken also as a tensile strength of rock which contains small randomly distributed preexisting cracks.     

水压致裂测量地应力的断裂力学方法

本文提出了一个水压致裂测量地应力的新的断裂力学方法.该方法改进了 Abou-Sayed 等人（1 978）提出的断裂力学方法.因为当裂隙长度小于某一临界值时,岩石的断裂韧度 K1 c与裂隙长度相关.另外,精确地确定岩石中原生裂隙长度 L 是非常困难的。因此,在计算最大水平主应力时,用一个新参数 U(U=K1 cπ1/2L)代替 K1 c和 L,将显著地提高最大水平主应力的精确度.此外,这个参数可以通过一个简单的空心圆柱破裂实验直接来测定.基于岩石断裂韧度最近的实验结果,当裂隙长度小于某一临界值时,新参数 U 近似为岩石材料常量.同时,参量21/2U 可以取做为含有随机分布较小裂隙的岩石抗拉强度.     

苏里格气田苏120区块盒8段浅水辫状河三角洲砂体演化规律

通过岩芯观察、测井相分析、沉积相剖面和砂体平面展布分析,认为苏里格气田苏120区块盒8段属浅水辫状河三角洲平原亚相沉积,但是各小层分流河道砂体发育程度不同。盒81上小层辫状分流河道发育程度低,呈似曲流河状,属弱辫状化分流河道类型;盒81下小层、盒82下小层、盒82上小层辫状分流河道发育程度高,呈现宽条带状,属强辫状化分流河道类型。对比两者的区别,最终建立辫状化程度不同的浅水辫状河三角洲沉积模式。同时,对该区盒8段分流河道（砂体）进行中心线叠合处理,得出分流河道砂体的演化既存在继承性又存在迁移性的规律,继承性表现为不同小层分流河道的数量和大体位置较稳定,迁移性表现为分流河道始终向两侧迁移,包括东移、西移和往返3种侧向迁移方式。     

四川盆地三叠系飞仙关组气藏储层成岩作用研究拾零

近年来在四川盆地三叠系飞仙关组鲕粒白云岩储层中发现的高含硫天然气三级储量已近1×1012 m3。鲕粒白云岩储层集中分布在含蒸发岩的层序中,储层中有残余石膏、硬石膏及它们的模孔、方解石铸模（假象）等,表明白云石化流体与蒸发海水有关。白云石化由层间古暴露面向下增强的成岩层序说明这种白云石化是成岩早期发生的,并可能有大气降水与蒸发海水混合的影响。白云岩样品各结构组分氧、碳同位素微区测试数据差别显著,这说明采用岩石混合样做研究白云石化成因的地球化学分析可能导致误解。飞仙关组的白云岩中多数保存了原岩结构幻影、结构残余或原岩的全部结构说明白云石化过程是等体积交代。白云岩储层中的孔隙是各种溶蚀孔而非白云石化等摩尔交代的体积收缩孔。飞仙关组高含硫气藏储层中沥青和溶蚀孔的关系表明深埋晚期溶蚀孔最发育。在溶液中碳酸的电离常数大大高于氢硫酸,飞仙关组高含硫气藏天然气组分中的CO2相对于H2S的质量亏损和储层中有富轻碳的高温方解石充填晚期溶孔、裂缝表明储层中的晚期溶解作用是由硫酸盐热还原过程（TSR）中生成的CO2引起的。