拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。     

分形岩石裂隙中渗流扩散运动的试验研究

由于存在大量粗糙不规则裂隙，使得岩体中流体运动极为复杂。针对天然粗糙岩石裂隙渗流试验存在物理模型隐蔽性和不可重复性等难点，基于三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建了粗糙节理面的裂隙通道，采用3D打印技术获得了透明精细的裂隙模型，使用微流体控制仪研究了不同试验条件下的裂隙渗流扩散运动，分析了裂隙通道流量与压力水头、裂隙宽度和分形维数之间的关系。研究结果表明：与平行板立方定律近似，在分形裂隙中，裂隙通道流量与压力水头成线性关系；单宽流量与裂隙通道的宽度成近似的三次方关系；考虑分形维数影响时，相同条件下流过裂隙通道的流量随着分形维数的增加而增加；粗糙裂隙渗流立方定律可采用与分形维数相关的幂指数函数进行修正。     

基于SC-Gassmann模型的纵横波速度预测

通过自相容近似模型和Biot理论相结合建立岩石物理模型,提出基于SC-Gassmann模型的速度预测方法。从实际测井资料中提取岩石物性参数,利用测井资料基于V-R-H模型来计算岩石基质弹性模量,然后通过自相容近似模型和Biot理论结合建立的岩石物理模型来计算干岩样骨架弹性模量,最后通过Gassmann方程加入流体,求得饱和岩石弹性模量,并预测储层岩石纵横波速度。实际资料计算表明,通过岩石物理模型计算的饱和岩石纵横波速度与实际数据吻合较好,符合实际地质情况,证明该方法可靠有效。     

拉裂-滑移式黄土崩塌的形成机制及其稳定性研究

拉裂-滑移式黄土崩塌是黄土地区高速公路建设过程中常见的一种崩塌灾害。根据土体极限平衡方程,得到黄土斜坡后缘最大竖直拉张裂隙深度。引进水致弱化函数,分别建立了竖直裂隙面介质及潜在滑移面介质的本构方程。根据崩塌体能量守恒原理及尖点突变理论,建立了拉裂-滑移式黄土崩塌隐患的尖点突变模型。根据该模型,探讨了拉裂-滑移式黄土崩塌的形成机制。认为黄土斜坡开挖后,后缘形成拉张裂隙,在裂隙充水的作用下,竖直拉张裂隙的剪切模量增大,潜在滑移面的剪切模量减小,当黄土含水饱和度达到一定程度时候,系统发生突变,滑裂面形成,土体重心不断向临空面移动。其重心一旦滑出陡坡,就会产生崩塌。根据极限平衡方程,结合摩尔-库仑定律,建立了拉裂-滑移式黄土崩塌隐患体的稳定性计算公式。研究结果对黄土崩塌治理的设计与施工具有重要参考价值。     

随机分布裂隙煤岩体模型及其应用

煤层中随机裂隙展布模拟技术是瓦斯抽放数值模拟中的关键技术。利用Monte-Carlo模拟技术模拟实际煤岩裂隙的随机性,建立了随机分布裂隙煤岩体模型,并在Matlab平台下开发了二维随机裂隙煤岩体生成程序RFSS 2D。在煤岩实测数据和统计分析的基础上,利用编制的程序不仅能生成与实际煤岩具有相同统计分布裂隙网络的虚拟煤岩体,而且能实现有限元网格自动剖分。以辽宁某瓦斯抽放试井作为数值算例,依据实测和统计数据建立了随机裂隙分布的煤岩体模型,模拟了瓦斯压和应力的演化规律,结果表明,与瓦斯抽放井连通的裂隙对瓦斯运移影响很大,与瓦斯抽放井不连通的裂隙对瓦斯运移也有影响,但影响有限。     

灰坝工程领域岩体裂隙渗流浸润线及出漏点溶质浓度数值模拟

灰坝工程中灰水渗漏易对地下水产生污染,为预防治理地下水污染,应研究灰场污染物的运移机理,在运移工程中由于岩体裂隙的粗糙性和各向异性,渗流及溶质运移模型实际非常复杂。本文着眼于建立将粗糙裂隙岩体非连续渗流、溶质运移数学模型,应用于陡立裂隙网络岩体渗流浸润线及出漏点溶质浓度数值模拟,为定量分析灰场对地下水的影响提供理论依据。     

岩溶裂隙地下水流数学模型求解的有限体积法及应用

岩溶裂隙介质可视为双重孔隙度介质。根据水流连续性原理、质量守衡和达西定律,建立了裂隙-岩溶承压含水层非稳定流双重介质数学模型,采用有限体积法对其求解,并以深圳龙岗区为例对模型进行验证。结果表明,计算模型与实际水文地质条件比较接近,计算水位与实测水位相吻合。     

天然裂缝复杂程度对致密储层破裂特征的影响

地层内部总存在孔隙、裂隙、层理、裂缝、断层等结构特征从而体现为地层地质非均质性,并在人工注采过程中发生不同尺度的破裂而体现为跨尺度的裂缝时空延展特征和致裂机理。以致密油为代表的非常规油气藏开采开发在我国油气产能中占比越来越大,并往往利用水力压裂储层改造技术产生人工裂缝以增强油气渗流而实现其规模经济开发;同时,这类低渗透油气藏亦是CO₂压裂、注入和封存的重要对象。文章基于真三轴大型物理模型水力压裂实验和工程尺度下水力压裂微地震监测结果,通过不同尺度裂缝/裂隙活动所致声发射和微地震事件的时空展布研究岩体多尺度裂缝的破裂特征。研究表明,无论是相对稳定的真三轴水力压裂,还是实际地质工程尺度下的水力压裂微,岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。     

含孔洞裂隙岩体灌浆后力学特性的物理试验与数值模拟

对不同裂隙倾角的含孔洞裂隙模型试件进行单轴压缩试验,并使用RFPA 2D软件进行数值模拟,对比孔洞不充填和完全灌浆充填2种工况,研究灌浆体对试件应力环境、破裂模式及力学特性参数的影响。试验与数值模拟研究结果均表明:灌浆体减轻了应力集中,表现为最大压应力和最大拉应力下降,降幅分别为7.6%~9.8%、0.4%~9.8%。试件破裂模式、力学特性参数及其孔洞灌浆充填后的变化幅度与预制裂隙倾角紧密相关,水平和竖直裂隙这2种结构型式的试件均呈现为穿切岩桥的破坏模式;而倾斜裂隙试件的破坏受预制裂隙控制,使得峰值强度和残余强度最小,但这2种参数孔洞灌浆充填后的增幅最大。与孔洞不充填试件相比,孔洞完全灌浆充填的物理模型和数值模型试件峰值强度的增幅分别为5.45%~23.33%、4.18%~14.29%,残余强度增幅分别达到31.68%~161.71%、22.54%~73.85%。     

裂隙-管道介质泉流域水文地质模拟试验

为了深入认识岩溶泉流域的流量过程影响因素和作用机制,以西南岩溶泉流域水文地质概念模型为原型,建立了实验室尺度下的裂隙-管道介质物理模型和数值模型。选取补给雨强、泉口直径、落水洞与开采井的位置作为影响因子,模拟了泉流量过程。试验结果表明:单次降水试验可以观测得到泉流量增加、平稳波动和衰减共三个阶段;同一泉口直径条件下,补给强度对泉流量衰减系数的影响极小,直径为3,4,5,7 mm的泉口直径对应的衰减系数分别为0.003 6,0.006 7,0.011 5,0.012 9,泉口直径与衰减系数呈近似对数关系;落水洞汇流水量占泉流量的比例远大于裂隙;2~3 mm是微小裂隙与较大裂隙的过渡区域,两种类型的介质泉流量过程差异明显;开采井分别位于泉口附近、模型中间位置和落水洞时,泉流量衰减系数依次减小。     

王府气田火山岩储层的孔渗特征及评价

利用纯岩石体积模型、测井数据回归方法分别计算了不同岩性的骨架参数。使用常规测井资料,给出了王府断陷盆地深部火石岭组火山岩储层孔隙度和渗透率的计算方法。分析了储层物性与岩性、岩相、孔缝和埋深的关系,发现有利储层主要发育在火山口杂岩相内,岩性主要为火山熔岩和火山角砾岩;溶孔和溶蚀缝是主要储集空间;埋深对火成岩储层的发育影响不大。利用储集层品质指数(RQI),定性地对王府气田20口井的火山岩储层物性进行综合评价,评价的结果与试气产能结论符合情况较好。     

Influence of three-dimensional roughness of rock fracture on seepage characteristics based on the digital image technology

Digital image processing technology can objectively reflect the surface roughness of coal and rock mass fractures and turn physical properties such as fluctuation height to physical data of the rock fracture surface to be used for numerical analyses; thus, it can effectively be applied to the seepage flow analysis of rock fractures. First, clear digital images of the fracture surface height are obtained under the same camera conditions, and then characteristic function values specific to various structure are normalized. Subsequently, the fluctuation height distribution of the rock surface is restored according to the measured fluctuation heights of local points. Finally, according to the surface fluctuation of fractures, invasive restructuring is carried out for three-dimensional fractures in the same coordinate system. Obtained physical parameters on the three-dimensional fractures of the rock are inputted into the COMSOL Multiphysics software to obtain the characteristic three-dimensional model of the rock fracture surface. The numerical analysis results are compared with experimental data on fracture seepage obtained from a seepage coupling true triaxial test system, and the relevance between the simulated result and the physical experiment is higher than 90%, which confirms that the integration of the digital image technology and the numerical analysis method can effectively simulate seepage in rough fractures. The hydraulic gradient of rough fractures and seepage velocity are also consistent with Forchheimer flow characteristics.     

Stress-Dependent Fluid Flow and Permeability in Fractured Media: from Lab Experiments to Engineering Applications

Summary. Permeability is a physical property in rocks of extreme importance in energy engineering, civil and environmental engineering, and various areas of geology. Early on, fractures in fluid flow models were assumed to be rigid. However, experimental research and field data confirmed that stress-deformation behavior in fractures is a key factor governing their permeability tensor. Although extensive research was conducted in the past, the three-dimensional stress-permeability relationships, particularly in the inelastic deformation stage, still remain unclear. In this paper, laboratory experiments conducted on large concrete blocks with randomly distributed fractures and rock core samples are reported to investigate fluid flow and permeability variations under uniaxial, biaxial and triaxial complete stress-strain process. Experimental relationships among flowrate, permeability and fracture aperture in the fractured media are investigated. Results show that the flowrate and stress/aperture exhibit “cubic law” relationship for the randomly distributed fractures. A permeability-aperture relationship is proposed according to the experimental results. Based on this relationship, stress-dependent permeability in a set of fractures is derived in a three-dimensional domain by using a coupled stress and matrix-fracture interactive model. A double porosity finite element model is extended by incorporating such stress-dependent permeability effects. The proposed model is applied to examine permeability variations induced by stress redistributions for an inclined borehole excavated in a naturally fractured formation. The results indicate that permeability around underground openings depends strongly on stress changes and orientations of the natural fractures.     

页岩储层岩石物理模型及地震AVO响应模拟

通过模拟并分析各向异性页岩岩石物理模型,研究页岩中干酪根含量变化对页岩弹性各向异性的影响,其结果为应用AVO方法定量解释页岩储层厚度和干酪根含量提供依据。岩石物理模型预测了页岩速度和各向异性参数随干酪根含量的变化规律。应用传播矩阵方法计算薄层页岩的AVO响应,得到反射系数关于页岩层厚度、入射波频率、干酪根含量和入射角的函数。数值模拟结果表明:在干酪根含量不变且在同一入射角下的反射系数在频率域呈周期变化,该周期与薄层厚度成反比;对同一频率入射波和相同入射角,反射系数幅值随干酪根含量增加而变大。     

王府断陷火石岭组火山岩储层裂缝特征与分布规律

以岩芯裂缝和薄片资料为基础,结合成像测井技术和地震资料研究王府断陷火石岭组火山岩储层裂缝特征及分布规律。该区火山岩储层发育原生裂缝和构造-后生裂缝,原生裂缝张开度小,对改善储层意义不大;而构造-后生裂缝张开度大,延伸较远,能提高储层的储渗能力。通过FMI成像测井可识别出高导缝、高阻缝、微裂缝和钻井诱导缝,其中高导缝和微裂缝一般为有效裂缝。根据高导缝走向和构造特征,将研究区火山岩储层裂缝分为3个区:北部区、中部区和南部区,其中北部区和南部区受顺直断裂控制,高导缝具有两个优势走向;中部区受交叉断裂控制,高导缝为一个优势走向。中部区裂缝平均密度最高,倾角属性也显示为有利裂缝区,可以作为勘探和井位部署的重点区域。     

辽宁兴城地区长城系团山子组与大红峪组不整合接触特征及其对兴城运动的意义

通过野外地质调查,确定了辽宁兴城地区长城系大红峪组与下伏团山子组为角度不整合接触。夹山地区团山子组三段叠层石白云岩顶部发育有古喀斯特地貌,大红峪组下部有底砾岩。接触面可见大红峪组砾岩沿溶洞、解理缝或构造裂隙灌入团山子组白云岩中。地球化学分析结果表明,团山子组为氧化沉积环境,气候温暖湿润。而大红峪组为贫氧--氧化沉积环境,气候与团山子组比较变得炎热干燥。由此表明,兴城运动的存在具有合理性,并且对于兴城地区具有较大的影响作用。     

七棵树油田低孔低渗砂岩储层的测井评价

低孔低渗储层的测井评价一直是油田勘探开发的难题。由于沉积作用、压实作用和溶蚀作用等各种成岩作用,七棵树油田储层具有低孔低渗特点,而且储层内次生孔隙发育,非均质性强,增加了储层评价的复杂性。为此,本文根据岩芯实验、地质录井和试油等并综合各种测井资料,确定了储层岩性与物性、含油性与物性关系; 并在孔喉模型的基础上,通过分析物性和电性之间的关系,建立了一个适用于次生孔隙发育的低孔低渗储层的新模型,并进行解释分析。     

叶片辐射传输模型PROSPECT 理论研究

综述植物叶片辐射传输PROSPECT 模型的理论,并对其理论来源PLATE 模型作了扼要介绍。进一步研究叶片结构、叶片光学吸收参数和叶片反射率、透射率之间的非线性关系,给出如何用单层致密叶片迭代来表示多层非致密叶片的反射率、透射率。讨论了Stokes 光学系统理论及其在模型理论中的应用,并用复向量的方法证明其各向同性光学介质中反射率和透射率递推关系式。表明PROSPECT 模型基于良好的物理模型,在满足假设条件下,能够准确模拟叶片的反射率和透射率。     

三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟

对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,再应用三维重构技术生成相应的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假定溶质运移满足Fick定律,模拟水流和溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现：粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同进、出口工况下的流体流动及溶质运移状态亦表明：裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。这些结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内特别是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。