高孔隙岩石变形的离散单元模型

实验和野外观测表明颗粒破碎显著影响高孔隙岩石的变形特征.为建立高孔隙岩石变形的数值模型,我们以弹性理论为基础并根据问题的特征进行合理简化,给出了一种颗粒破碎机制,并根据此颗粒破碎条件改进传统的离散单元模型.利用改进的离散单元模型,研究了不同压力条件下高孔隙岩石变形的宏观和微观特征.数值模拟结果表明考虑颗粒破碎的模型能重现高孔隙岩石在不同围压下变形的应力-应变关系、声发射特征、应变局部化和剪切增强压缩等特征.我们还发现,与野外观测结果一致,在高孔隙岩石脆性阶段剪切带内部及附近伴有显著的颗粒破碎.     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.     

孔隙压变化对岩石错动面滑动行为影响的实验研究

应用摩擦实验装置，在法向压力σ＿ｎ＝１０～１２０ＭＰａ下研究了孔隙压变化速率对岩石错动面滑动行为的影响。当孔隙压增压速率较大时，具粘滑振荡特性的岩石错动面仍将发生粘滑振荡，当孔隙压增压速率较小时，错动面发生稳定滑动，当增压速率介于上述两者之间时，错动面则呈粘滑－稳滑转化。以上结果对地震前兆和地震控制研究有重要意义     

等吸力三轴剪切试验中非饱和黄土强度变形及水量变化特性

通过饱和原状黄土常规三轴试验和非饱和原状黄土等吸力三轴试验研究吸力和净围压对非饱和黄土强度变形的影响,并用HUANG等、胡冉等和方祥位等提出的土水特征曲线模型分析剪切过程中排水规律。研究结果表明：等吸力下原状土样固结剪切体积变形随净围压增大而增大;等净围压下原状土样固结剪切体积变形量随吸力的增大基本呈减小趋势。p-q平面内饱和土CSL线逐渐超过低吸力下非饱和土CSL线,原因在于随着p值增大,相对于非饱和土,饱和土孔隙比越来越小,较小孔隙比对抗剪强度的贡献逐渐大于非饱和土吸力对抗剪强度的贡献。应用固结稳定的数据拟合出HUANG等和胡冉等提出的模型参数,并预测剪切过程中的排水量,发现剪切速率对排水量有影响,这两种模型适用于剪切速率慢,排水充分的情况,而方祥位等提出的模型对不同剪切速率会拟合出不同的参数。     

不同温压条件下饱水砂岩的变形破坏与孔隙压力问题的试验研究

本文通过不同温度与围压条件下的岩石三轴试验,研究了水、温度、有效围压对饱水的新沂砂岩变形破坏过程的影响及此过程中孔隙压力变化的特征。研究结果表明:(1)饱水砂岩的强度比风干岩石低20—30％,而排水条件下的这种差异更大;(2)岩石变形破坏过程中,孔隙压力的变化可划分出四个基本阶段:上升、缓升、下降与保持不变阶段,其中第二阶段相当于微破裂发生阶段,第三阶段相当于微破裂发展成为宏观破坏的阶段;(3)饱水砂岩的强度随环境温度的升高和有效围压的下降而减小,而且排水条件也促使强度降低,因此可以推断,井孔水位对震前异常反映灵敏的岩石力学与水动力学条件是:含水层的渗透性强、温度高、埋深浅、水头高。     

渗流条件下振动对测压水位的影响实验

利用地震模拟振动台和自行设计的刚性渗流模型箱,模拟渗流条件下振动对井-承压含水层系统水位的影响过程.通过输入12组不同的振动频率和振动加速度的正弦波及1组模拟EL Centro波,探察水位与不同输入频率和加速度的振动响应关系,并同步观测含水层井水位变化过程中对应响应加速度、孔隙压力的变化特征.结果表明:测压水位的变化形态与输入振动的频率有关,并且与孔隙压力的变化一致,输入低频(0.5、1、2 Hz)时,孔隙压力振荡下降,测压水位呈阶降变化;输入高频(5、10、15 Hz)时,孔隙压力振荡上升,测压水位以阶升变化为主,验证了测压水位的变化主要是振动引起含水层孔隙压的变化导致的.本次实验可为今后开展此类实验提供一般的研究思路和技术经验,并为进一步探究含水层形变-孔隙压-水位之间的定量关系传递机理提供基础数据支持.     

含裂面岩石渗透率的实验研究

本文在实验室中采用定常压力差法在围压10—20MPP、注水压力为2.5—12.SMPS条件下对新丰江水库区花岗岩及刘家峡水库区变质岩进行了渗透实验,观测到了岩石渗透率随围压、注水压力及时间变化的结果,并且得到了渗透率随时间衰减的经验关系l。(t)=k。XEXP(一、t)。实验结果表明:完整岩石、自然裂而中含填充物岩石、自然裂面岩石的渗透率依次增大两个数量级。在实验中,恒定注水压力时渗透率明显地随着围压的增大而减小,当国压变化发生循环时,渗透率产生了不可恢复的减小;当恒定因压时,渗透率随着注水压力的变化取决于流体水对裂面的冲刷、溶解及沉淀堵塞作用而不可预测。最后根据该实验结果讨论了水库地震中水沿断裂系统渗透过程中渗透水的前锋形成高孔隙压力而触发地震的机制。     

循环荷载作用下钙质砂液化及体变特性

钙质砂是岛礁建设的重要材料之一,具有颗粒形状不规则与易破碎特性,钙质砂在动荷载下性质与石英砂有所区别,对钙质砂的液化特性及体变规律进行探究,能够更好地揭示钙质砂液化沉降规律。采用动三轴试验对饱和钙质砂进行了一系列不排水循环剪切试验。孔隙水压力的上升速率会影响钙质砂的抗液化性,实验结果表明：钙质砂孔隙水压力的上升速率受密实度、有效围压等因素影响。在动荷载作用下,试样上下孔隙水压力存在少量差值,同一试样上下孔隙水压力差受试样密实度、围压以及循环应力比影响。钙质砂在循环荷载作用下体变的主要影响因素是密实度,密实度越大,体变率也会越小,级配和围压对体变率的影响较小,且体变率较石英砂更低。     

Q_3黄土残余变形对孔隙压力控制作用试验研究

土体残余变形与孔隙压力的作用关系,是理解土体受荷力学响应行为的重要问题。利用室内静(动)三轴试验,获取天然黄土受载后的轴向残余变形、体积残余变形、孔隙气(水)压力变化的时程数据,研究残余变形和孔隙压力的对应关系,厘定残余变形对孔隙压力的控制作用。结果表明:轴向残余变形描述孔隙气(水)压力的响应过程及绝对量值时,具有局限性;孔隙气(水)压力的响应过程及成因具有一致性,与初始应力条件及加载形式无关;孔隙水压力的绝对量值对围压具有强依赖性,体积残余应变相同时水体对孔隙水压力绝对量值的贡献是气体对孔隙气压力的10倍。孔隙压力的响应过程及成因,取决于固相颗粒介质和气、水相介质之间的作用机理;其绝对量值,决定于气、水相介质的渗透性、压缩性等固有特性。     

浊积岩储层孔隙结构分类及其测井响应特征——以鄂尔多斯盆地黄陵油田长6储层为例

为判定不同测井系列评价划分储层孔隙结构的能力强弱,进而利用测井资料划分储层孔隙结构类型,筛选储层"甜点"的目的,应用岩芯压汞、物性资料,将鄂尔多斯盆地黄陵油田长6浊积岩储层孔隙结构划分为4种类型.基于此,建立4种孔隙结构样品的岩性、孔隙度与电阻率测井系列响应交汇图,分析不同测井系列识别不同孔隙结构的能力强弱.结果表明,岩性测井系列中,针对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类孔隙结构储层,其对应自然伽马分布范围及变化幅度差异明显,反映其识别不同类型孔隙结构最为敏感;钍含量、钾含量及光电吸收截面指数对不同孔隙结构分辨力较强,能够识别四种孔隙结构类型;但铀含量测井对不同孔隙结构分辨力整体较差,自然电位测井识别Ⅱ、Ⅲ类孔隙结构能力较弱.孔隙度测井系列中,声波时差、密度、中子测井识别不同孔隙结构能力相当,鉴于经济实用角度评价,可加强声波时差资料的有效挖掘和应用.电阻率测井系列中,鉴于研究区长6储层致密、孔隙结构复杂及储层油水混储等因素影响,双感应和阵列感应测井难以解释不同孔隙结构储层流体性质及含油性判定.经黄陵油田145口井应用检验,自然伽马、钍含量、钾含量及声波时差等敏感测井系列不仅反映浊积岩储层岩性、物性及含油性特征,且有效提高优质储层识别精度和实用效果.     

The effect of water on stress relaxation of faulted and unfaulted sandstone

A series of stress relaxation experiments have been carried out on faulted and intact Tennessee sandstone to explore the influence of pore water on strength at different strain rates. Temperatures employed were 20, 300 and 400°C, effective confining pressure was 1.5 kb and strain rates as low as 10^–10 sec^–1 were achieved. Most samples were prefaulted at 2.5 kb confining pressure and room temperature. This is thought to have secured a reproducible initial microstructure.The strength of the dry rock was almost totally insensitive to strain rate in the range 10^–4 to 10^–10 sec^–1. In contrast, the strength of the wet rock decreased rapidly with strain rate at rates less than 10^–6 sec^–1. Brittle fracture of the quartz grains which constitute this rock is the most characteristic mode of failure under the test conditions used.The experimental data are discussed in terms of the possible deformation rate controlling processes, and it is suggested that in the wet experiments at intermediate to high strain rates (10^–7 to 10^–4 sec^–1) the observed deformation rate is controlled by the kinetics of water assisted stress corrosion, whilst deformation at low strain rates (ca. 10^–9 sec^–1) is controlled by a pressure solution process.The results have implications for the rheology of fault rocks at depths of perhaps 10 to 15 km in sialic crust.     

塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究

为了从实验角度探索低渗砂岩是否存在很小的ESCK值及重新认识低渗砂岩ESCK的变化规律,用两种修正的析因设计方案开展了塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究.一种方案包含了3个循环,每个循环是在孔隙流体压力不变,通过加载和卸载围压完成的;另一种方案包含4个循环,每个循环是在围压不变,通过降低和增加孔隙流体压力完成的.采用稳态法采集每个测点的渗透率值,并选择合适的经验模型拟合实验数据.为了使模型更好地拟合实验数据,本文采用最大似然函数法确定的转换系数转换实验得到的渗透率数据,使拟合得到的经验模型计算的渗透率值与实验值偏差的联合概率密度趋于极大值且残余平方和最小.拟合得到的经验模型可以用渗透率-围压-内压响应面直观地表示,再用Bernabe的ESCK计算式将这一响应面转换成渗透率有效应力系数ESCK-围压-内压响应面.ESCK响应面的响应特征表明,ESCK随围压和孔隙流体压力的变化而变化,随围压的增加而降低,随内压的增加而增加,反之亦然;实验研究还表明,ESCK的变化范围在0.0~1.02之间,这一变化范围和以往实验的结果存在巨大的差异,为此,文中分析了产生这一差异原因,同时提出一新的机理模型解释了实验获取的ESCK的变化规律是低渗岩石中微裂缝和孔隙变形共同作用的结果.     

饱和黄土液化后强度与变形特性的试验研究

采用MTS810动三轴试验仪,用二氧化碳+脱气水循环渗流法对重塑黄土进行饱和,进行了一系列对石碑塬滑坡区饱和黄土液化后变形特性试验。考虑干密度和初始有效围压对黄土液化后变形特性的影响,将液化与未液化黄土在单调静荷载作用下的应力-应变曲线进行对比。实验结果表明:利用二氧化碳+脱气水循环渗流法可以使重塑黄土饱和取得较好的效果;饱和石碑塬黄土具有明显的液化特征,在强震作用下发生液化,液化后强度大大衰减,应力-应变曲线呈弱硬化型,分为两个阶段;干密度和初始有效围压对液化后黄土的强度有一定影响,初始有效围压与不排水强度呈拟合度较高的线性关系,初始有效围压越高,液化后不排水强度越大。     

高温高压下红河断裂带断层泥力学性质的研究

断层泥在室温高压下的应力-应变曲线呈非线性、线性等阶段性变形,在高温高压下则呈非线性变形,两者均表现出渐进破坏。含水量、矿物成分和温压条件对变形特征和破坏强度有重要影响。曲线的初始弹性模量小于有效弹性模量。断层泥在温度T≥400℃和σ_3≥300MPa时发生岩化,据此岩化温压条件可估计出未岩化断层泥存在深度将不超过10—15km。由于断层泥具渐进破坏特征,故在高温高压条件下断层泥有利于断层活动呈现稳滑     

固体围压下完整花岗岩粘滑现象的实验研究

本文用完整的花岗岩样品在固体围压三轴实验装置上压缩,研究围压和应变速率对岩样变形破裂过程、粘滑应力降、粘滑复发间隔及样品主破裂几何分布的影响。结果表明,加载速率较低时,粘滑应力降较大,复发间隔较长且分布无规律。加载速率越大,粘滑应力降越小,复发间隔也近似相等,粘滑事件表现出准周期性。围压和应变率较低时,岩石的主破裂会演变成两个交叉的共轭断裂面;而围压和应变率较高时,岩石的主破裂则演变成单一断裂面或入字形断裂面。本文结果对认识中国大陆板内地震孕育、发生及重复过程;研究地震重复发生的机制及影响地震复发间隔的主要因素都有重要意义。     

中地壳断层带内微裂隙愈合与高压流体形成条件的模拟实验研究

中地壳断层带内发现的接近静岩压力的高压流体能够合理解释汶川M_S8.0级地震断层的高角度逆冲滑动, 而高压流体的产生与断层带的微裂隙愈合紧密相关.利用熔融盐固体介质三轴高温高压实验系统,我们采用含水和烘干的Carrara大理岩样品开展了微裂隙愈合实验,研究中地壳断层带内高压流体的形成条件.实验分为三类:A类、A+B类和A+B+C类,其中A阶段实验在室温条件下将样品压裂,形成一系列共轭破裂面,B阶段实验在600℃、围压700 MPa和应变速率10^-6s^-1条件下愈合了A阶段破碎的样品,实验样品从以碎裂变形为主向以韧性变形为主转变,C阶段实验通过快速降低轴压模拟一个扩容过程,再以相同实验条件重新加载样品,通过比较实验样品强度来检验样品的愈合程度.样品显微结构和实验样品强度表明,动态重结晶作用能够愈合微裂隙和孔隙,水能促进矿物的动态重结晶作用,较高的水含量和较大的应变有利于微裂隙和孔隙的愈合,从而有利于高压流体的形成.     

Influence of confining pressure and impact loading on mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist

In order to investigate the dynamic mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist under confi ning pressure, two rocks are subjected to impact loadings with different strain rates and confi ning pressures by using split Hopkinson pressure bar equipment with a confi ning pressure device. Based on the experimental results, the stress-strain curves are analyzed and the effects of confi ning pressure and strain rates on the dynamic compressive strength, peak strain and failure mode are summarized. The results show that:(1) The characteristics of two rocks in the ascent stage of the stressstrain curve are basically the same, but in the descent stage, the rocks gradually show plastic deformation characteristics as the confi ning pressure increases.(2) The dynamic compressive strength and peak strain of two rocks increase as the strain rate increases and the confi ning pressure effects are obvious.(3) Due to the effect of confi ning pressure, the normal stress on the damage surface of the rock increases correspondingly, the bearing capacity of the crack friction exceeds the material cohesion and the slippage of the fractured rock is controlled, which all lead to the compression and shear failure mode of rock. The theoretical analysis and experimental methods to study the dynamic failure mode and other related characteristics of rock are useful in developing standards for engineering practice.     

贮灰场子坝粉煤灰动力特性试验研究

贮灰场子坝冲填粉煤灰的动力特性是评估挡灰坝在地震作用下动力稳定性的关键因素。为探究冲填粉煤灰的动力变形和强度特性,利用液压控制振动三轴试验仪测试饱和沉积灰和冲填灰两类试样在偏压固结条件下的动应力-动应变关系、动强度、阻尼比和动孔隙水压力。结果表明:试样骨干曲线均表现出应变硬化特征,可近似描述为双曲线型关系。此外,循环振次增大导致试样动强度降低,且主要与动黏聚力降低有关,受内摩擦角影响较小。双对数坐标轴下,无量纲处理后的阻尼比与动剪切模量近似呈线性关系,且与围压关系不显著。不同围压下动孔压水平随破坏振次增大仅在较窄范围内变化,为简便计算,可忽略围压和循环振次对动孔压水平的影响。据此,可采用Finn公式描述偏压固结下粉煤灰试样的动孔隙水压力特征。     

Experimental Study on the Stick-slip Phenomenon of Intact Granite under Solid Confining Pressure

In this paper,compression tests of intact granite samples have been made in a triaxial testing machine with solid confining pressure.From the tests,the influences of confining pressure and loading rate(axial strain rate)on the deformation and fracture process of rock samples,on the stress drop and recurrence interval of stick-slip events,and on the geometric distribution of the main fracture have been studied.The experimental results show that the loading rate influences the stress drop and recurrence interval of stick-slip events greatly.At lower loading rates,the stress drop of stick-slip events is greater,their recurrence interval is longer and shows no regularity in distribution.When the loading rate goes higher,the stress drop will become smaller and the recurrence interval will tend to be constant and stick-slip events show a quasi-periodicity.At lower confining pressures and strain rates,the main fracture may evolve into 2 X-shaped conjugate shear faults; whereas at higher confining pressures and     

Mechanical compaction in heterogeneous clastic formations from plastic–poroelastic deformation principles: theory and applications

Mechanical compaction or loss of porosity due to increase in effective stress is a fundamental geological process that governs many of the rock elastic and transport parameters, all of great importance in exploring and developing subsurface reservoirs. The ability to model the compaction process enables us to improve our understanding of the seismic signature of the basin and better relate the geology of deposition to current porosity, velocity, pore pressure, and other mechanical parameters that depend on the state of compaction of the sediment. In this paper, a set of mathematical equations that can be used to model the plastic deformation associated with primary and secondary loading curves is presented. Compaction laws are posed in terms of natural strain increment formulation often used in plasticity theory to model large deformation. Laboratory and field estimates of constitutive plastic deformation relations for sand–shale mixtures are used in a numerical model that generates estimates of porosity under various pore pressures, shale content, and loading scenarios. These estimates can be used in a variety of settings to predict various basin and reservoir properties associated with different loading conditions and/or sedimentation processes.