基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

岩石声弹性理论与应用的研究进展

大量岩石实验证明了岩石声弹现象的存在,即岩石的弹性波波速会随着岩石的应力状态的改变而改变,即岩石的声弹性现象.岩石的声弹性现象为地应力无损检测提供了可能.目前许多研究已经分别给出了岩石声弹性的细观和宏观理论,并初步应用到地应力测量方面.为了促进岩石声弹理论的应用,本文总结了岩石声弹性的细观和宏观理论研究及其在地应力测量方面应用研究的进展.     

循环荷载下饱和岩石的滞后和衰减

通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验,分析了饱和岩石在循环荷载下的应力-应变滞后回线、瞬时杨氏模量、泊松比的“X”形变化曲线,以及杨氏模量随应变振幅的增加而减少等滞后现象,并分析了施加外力的应变振幅对衰减的影响,认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比,提出的衰减b值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度. 岩石的衰减和滞后存在密切的关系,通过饱和岩石的宏观行为,探讨了饱和岩石在循环荷载下的滞后和衰减现象的微观机理,认为孔隙流体流动在岩石的滞后和衰减中起着重要作用,岩石内部的颗粒接触粘合和黏滑摩擦可能是孔隙岩石在循环荷载作用下产生滞后和衰减的原因.     

饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性响应

在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验,研究了饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性行为. 在最大载荷低于岩石的屈服点时,获得的衰减、杨氏模量、泊松比、波速都表现出显著的各向异性,同时它们还具有较明显的应变振幅效应和频率效应. 随着应变振幅的增大,衰减近似呈线性增长,杨氏模量和泊松比近似呈线性下降. 在0.005-4Hz频段内除衰减不明显依赖频率以外,杨氏模量、泊松比、波速对频率的依赖性都较强; 当频段扩大到15Hz时,这4个参数都表现出较强的频率效应. 饱和岩石的衰减、杨氏模量、泊松比、波速均随饱和液体的黏滞系数增大而增大.     

龙陵地震与地应力异常

本文根据云南省电感地应力和土应力相对测量资料,总结了龙陵大震前地应力中期异常和短临异常的基本特征,以及与地震三要素的对应关系。认为:地应力中期异常有近—早、大、长,异常由震中区向外围区扩展的特征。短临异常有远—早、大、跳,异常由外围区向震中区逐步收缩的特征。结合震前地震活动、多种前兆手段的异常,认为它们有着异常在空间发展上的一致性和随时间变化的同步性。并初步讨论了地应力异常与龙陵大震震源孕震过程的关系,地应力中期异常可能与震源岩石膨胀过程有关,而震源的岩石硬化、断层的予滑过程可能是造成一定范围内地应力出现短临异常的主要原因。     

横观各向同性(TI)岩石弹性模量一阶扰动近似

地震各向异性是沉积岩石中广泛存在的波动现象,为研究地球介质岩石力学性质提供了有效途径.本文从横观各向同性岩石的本构方程出发,利用介质分解理论和地震波扰动理论,推导了沿TI介质对称轴和对称面上杨氏模量和泊松比的显式近似方程.经实验数据验证了本文近似方程的合理性,发现在各向异性强度适中的条件下,两个主方向杨氏模量和沿对称面泊松比的近似值与实测值吻合度较高,沿对称轴方向泊松比近似值偏小,但近似结果反映了真实值的宏观趋势.实际资料试处理表明,页岩地层岩石力学参数具有较强各向异性,利用本文近似方程可有效估算各向异性杨氏模量和泊松比,为储层压裂工程提供了岩石力学数据.     

地层压力条件下沁水盆地煤岩动静态弹性参数同步超声实验研究

静态弹性参数对储层压裂改造、应力场及裂缝预测具有重要意义,开展地层压力条件下煤岩动、静态弹性参数实验研究,获得动、静态弹性参数之间的关系,为利用动态弹性参数预测静态弹性参数提供了岩石物理依据.本次研究应用MTS岩石物理参数测试系统完成沁水盆地和顺地区的煤岩样在地层压力条件下的动静态弹性参数同步测试.结果表明:动态杨氏模量随压力的增加而增加,而动态泊松比随压力的变化较为复杂;动、静态杨氏模量之间呈线性关系,且动态杨氏模量大于静态杨氏模量;动、静态泊松比之间的相关性较差,大部分煤样的动态泊松比小于静态泊松比.获得的这些关系为动静弹性参数转换提供了基础,进而为利用地震资料进行静弹性参数预测,获得岩石力学性能参数提供了一种途径.     

基于页岩岩石物理等效模型的地应力预测方法研究

地应力的精确预测是对页岩地层进行水平井钻井轨迹设计和压裂的基础.本文在分析页岩构造特征的基础上,提出了适用于页岩地层的岩石物理等效模型的建立流程,并以此为基础实现了最小水平地应力的有效预测.首先,通过分析页岩地层的矿物、孔隙、流体及各向异性特征,将其等效为具有垂直对称轴的横向各向同性介质,进行了页岩岩石物理等效模型的构建;然后建立了页岩地层纵横波速度经验公式,并将该经验公式与岩石物理等效模型均应用于实际页岩工区的横波速度预测中,二者对比表明,本文中建立的页岩气岩石物理等效模型具有更高的横波预测精度,验证了该模型的适用性;最后,利用该模型计算各弹性刚度张量,进而实现了页岩地层最小水平地应力的预测,与各向同性模型估测结果对比表明,该模型预测的最小水平地应力与地层瞬间闭合压力一致性更高,且储层位置更为明显,具有较高的实用性.     

鄂尔多斯盆地东缘井区现今地应力特征与主控因素分析

近年来鄂尔多斯盆地东缘井区现今地应力研究匮乏.基于鄂尔多斯盆地若干区块地应力数据,通过计算拟合及数值模拟方法,深度分析了鄂尔多斯盆地东缘井区的现今地应力特征,讨论了岩石力学、裂缝走向和古地应场等地质因素对地应力分布的影响,提出了相应的开发建议.结果显示:鄂尔多斯盆地东缘井区地应力方向和大小分布具有一定规律性,在百米至千米级的大尺度上最大水平主应力方向与周边区域应力方向显示一致;在低尺度(十米至百米)上断裂和构造形态等地质因素造成的地应力方向异常比较明显,可作为大尺度研究结果的细化和补充.应力量值与岩石力学参数和裂缝走向具有普遍的定量关系,而地应力场引起的地应力量值变化十分显著,但目前难以定量化评价.封闭性好的断层有利于油气藏的保存,相应区域可作为油气开发的有利区块.研究为油气勘探开发的进一步规划布井提供技术支撑.     

地震与地壳厚度变异带之关系

地震是地壳内某些特殊部位的岩石断裂快速传播事件的伴生现象,所谓“特殊部位”系指具备一定构造条件和岩石条件的场所,在一定的地应力场作用下,这种部位能够引起地应力集中及至地应力重复集中,并且存积畸变应变能,因此,研究和勘查现今地应力场作用下     

基于水力压裂实验的龙马溪组页岩各向异性特征研究

水力压裂储层改造技术是页岩气开发的关键技术手段.大量高压流体注入页岩储层会显著改变岩石的纵横波速度、岩石力学参数及其各向异性特征.文章在伪三轴应力加载条件下对龙马溪组页岩开展了差异化的水力压裂岩石物理实验,对比了应力加载方式和水-岩物理化学反应对于页岩纵横波速度和岩石力学参数的影响.实验结果表明,对于干燥页岩样品,各向同性应力加载可以增大其纵横波速度和杨氏模量,并减弱对应的各向异性特征,而差应力加载可以提高杨氏模量的各向异性特征,并使页岩垂直沉积层理方向上的抗压强度下降速率加快.另一方面,水力压裂引发的水-岩物理化学反应能够"软化"页岩样品,降低其杨氏模量.这一"软化"作用对页岩纵横波速度的影响较小,而使Thomsen参数、杨氏模量和泊松比的各向异性特征显著下降.此外,页岩样品泊松比之间的负线性关系也由于压裂流体对页岩的"软化"作用失去了对于应力加载的敏感性.研究结果可以为龙马溪组页岩岩石力学性质研究提供良好的借鉴和数据支持.     

杨氏模量和泊松比反射系数近似方程及叠前地震反演

杨氏模量和泊松比等岩石弹性参数是表征页岩气储集体岩石脆性、评价储层含气特征的重要特征参数,而叠前地震反演是从地震资料中获取此类参数的有效途径.地震波反射系数方程是叠前反演的基础.首先,在平面波入射等假设条件下推导了基于杨氏模量(Y)、泊松比(σ)和密度(D)的纵波反射系数线性近似方程(YPD反射系数近似方程),该方程建立了地震纵波反射系数与杨氏模量反射系数、泊松比反射系数和密度反射系数的线性关系;其次,对该方程的精度和适用条件进行了分析,模型分析表明,在入射角为40°时,该方程具有较高的计算精度;最后,建立了一种稳定获取杨氏模量和泊松比的叠前地震直接反演方法.模型试算和实际资料试处理表明,基于新方程的反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取杨氏模量和泊松比参数,提供了一种高可靠性的页岩气"甜点"地震识别方法.     

应力或热疲劳对花岗岩凯塞效应的影响

对花岗岩进行反复加压和加热来模拟岩石在漫长的地质历史进程中，经受反复多变的应力和热的作用，使岩石内部受损伤，从而导致岩石记忆性能的丧失。用岩石凯塞效应确定岩石曾受过的地应力和热状态时需要排除干扰     

不同尺度下岩层渗透性与地应力的关系及机理

无论是地应力场宏观控制区域水文地质条件, 还是微观影响含水介质的渗透特性, 都有其深刻的内在发生机制, 生产实例和实验室试验表明: 在宏观地质大尺度下, 岩层以破碎、位移适应地应力场变化并为地下水的富集及运动提供场所, 地下水则以流动和压力传递来调整含水空间、扩张岩石裂隙实现流固宏观耦合, 尽管地质历史时期构造应力场经历多起叠加改造, 但形成区域主要构造骨架时的地应力场与渗流场具有相当的一致性, 主渗透方向与最大水平主应力方向一致; 在宏观地质中尺度下, 应力变化剧烈区、极低地应力区、应力集中区、剪应力集中区等往往与含水介质的主干裂隙相一致, 地应力均匀变化区则与基质的三重含水介质对应; 在微观地质小尺度下, 岩石空隙为三重孔隙介质, 包括基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙, 孔隙度和渗透率是有效应力的函数, 孔隙岩块的孔隙度和渗透率随有效应力的变化关系符合指数型数学模型, 裂缝型岩石宜用幂指数型数学模型描述, 毛细管型岩石则用二次抛物线数学模型描述较为恰当. 裂纹有效压缩系数、闭合压力计算揭示了裂缝性岩芯的渗透率和孔隙度损失较孔隙性岩芯损失大的机理, 裂纹有效压缩系数计算还说明同一介质渗透率变化总是大于孔隙度变化; 厚壁筒理论证实, 实验得出的毛细管型岩石孔隙度和渗透率损失与有效应力的二次抛物线关系正确.     

致密油粉砂岩脆性特征实验分析研究

岩石脆性直接影响储层压裂,是储层压裂改造之前必不可少的环节。本文对松辽盆地青山口组粉砂岩,分析岩石动、静态脆性特征。基于岩石力学实验获得的应力-应变的关系,调查岩石的脆塑性体特征,结果显示静态弹性参数获得的脆性指数与应力跌落系数呈现负相关性,其中脆性指数B_2(杨氏模量E和泊松比v归一化后的均值)与应力跌落系数相关性最好。分析矿物组分与脆性指数B_2、杨氏模量和泊松比的关系,认为相关层系石英、黄铁矿、碳酸盐岩类矿物可作为脆性矿物。基于B_2,在超声波实验中调查了孔隙流体、孔隙度对岩石动态脆性特征的影响,发现孔隙流体能够增强岩石的塑性,降低岩石脆性,且孔隙度越大,岩石脆性降低幅度越大。在饱含不同流体的岩石中,饱气粉砂岩的脆性最高,饱油次之,饱水最小,且饱油、饱水岩石脆性非常接近。对比岩石力学和超声波实验测量结果显示,整体上超声波实验获得的脆性指数比岩石力学实验获得的脆性指数大,不过,二者均随着孔隙度增大而降低,且差值随孔隙度增大而增大。原因在于超声波属于无损测试,而力学实验过程中导致了岩石内部的微裂缝、孔隙发生了改变。此外,低孔隙度岩石的脆性,主要与岩石内部微裂缝的发育程度有关。     

红河断裂带断层泥高压状态参数和动态弹性参数的实验研究(英文)

在500MPa的压力范围内测定了红河断裂带断层泥的密度、纵波速度和横波速度随压力的变化。实验表明:在100MPa以上,上述力学量随压力增长很快,在100MPa以上,上述力学量随压力稳定增长,其增长率比岩石相应的值高一个数量级。断层泥密度与纵波和横波速度的关系均满足Birch定律,并由此得到了红河断裂带断层泥的Birch系数。由波速资料得出了断层泥的动态杨氏模量与动态剪切模量,表明动态杨氏模量比过去得到的静态杨氏模量高一个数量级以上。     

氡预报地震的实验研究

有关氡气的来源、变化机制及共和地应力的关系尚处于研究过程中。本文将围绕这一问题对岩石标本进行压力试验和溶解试验,为氡预报地震的压溶机制提供实验依据。作者在对唐山地区水氡普查测定的基础上,采集井孔围岩及岩芯标本,开展岩石铀(钍)含量、岩石压氡、岩石水溶解氡及井孔水氡含量之间的综合研究。初步认为,当岩石受压变形破裂时井孔围岩中放射性元素的含量与氡逸出量呈正向关系     

岩石在不同温度下的形变蠕变和滞后

据岩石在地壳温度条件下的实验结果:只要循环加载,应力与应变便无单值关系。因为现代构造应力场是在时增时减地变化着,所以定点长期连续观测的地应力台站,不能根据地应变值来换算地应力,而需通过弹性选测法和应力平衡法来确定     

脆性岩石破裂的前兆变形和前兆应力降

地震的孕育过程与地壳中的应力变化和岩石变形密切相关。为了探讨地形变异常和地应力变化异常作为地震前兆的物理本质,开展相应的岩石破裂实验研究是必要的。 早在Kármán和Griggs开展岩石力学实验的时候,就已观测到一个现象,即在岩石发生脆性破裂的场合,主破裂并不发生在岩石的应力状态达到其峰值强度(最大承载     

岩石模量与应变振幅关系的实验研究及理论解释

地球介质的非线性弹性造成了岩石动态和静态弹性模量在数值上的差异。本文用超声波速度测量得到岩石的动模量，用含有小循环的加卸载实验得到小循环模量，用大循环的应力、应变曲线斜率得到静模量，用测点的应力、应变之比得到杨氏模量。通过改变小循环的应变振幅来研究模量与应变振幅的关系，进而比较用不同测量方法得到的模量值的差异。结果表明，动模量值最大，小循环模量值次之，大循环静模量值再次之，而杨氏模量最小。岩石非线性模量既是所受应变水平的函数，也是应变振幅的函数，模量随应变振幅的增加以指数形式下降，随应变水平增加以指数形式上升。最后简要介绍了P-M模型的基本概念，用岩石中微裂缝具有不同的分布密度，不同的打开和关闭压力来解释模量与应变振幅的关系。