断裂带流体作用及动力学模型

越来越多的证据表明流体活动与断裂作用密切相关。断裂带流体活动不仅影响断裂发生、发展、封闭和断裂强度，而且影响到断裂带附近矿床的形成。断裂带活动为流体循环、水岩相互作用提供了必要条件，流体的再分配是断裂带中应力积累和释放的响应。流体压力和剪切压力的耦合变化影响断裂带摩擦作用中剪切强度的变化，进而控制断裂发生和停止。因此，断裂带流体活动的幕式变化指示了断裂活动事件或地震活动旋回。     

雪峰隆起西缘下寒武统牛蹄塘组页岩裂缝发育特征及主控因素

基于雪峰隆起西缘下寒武统牛蹄塘组页岩地表露头、岩心、薄片和扫描电镜下天然裂缝特征参数的观察与统计,并借助相应样品的实验测试数据,对牛蹄塘组页岩裂缝的发育特征与主控因素进行了深入分析,并探讨了裂缝发育与含气性之间的关系。结果表明:研究区牛蹄塘组页岩宏观裂缝以构造缝为主,成岩缝次之,构造缝包括高、中角度剪切缝,低角度滑脱缝及少量张裂缝,主要为6期形成,其中第1期高角度剪切缝最为发育,裂缝优势方位为NWW向、NNW-近SN向与NE向。微裂缝主要为层间缝和顺层缝。岩心宏观裂缝多被充填,后期裂缝的充填程度低于前期裂缝。裂缝的发育受构造作用、岩性和矿物组分、岩层厚度、有机碳含量、成岩作用及异常流体高压等多种因素影响,其中构造应力与构造部位是裂缝发育的主要控制因素,区域构造应力决定了裂缝的性质与整体发育特征,局部构造应力与构造部位使裂缝的分布具有差异性,应力相对集中且变化梯度大、地层变形强烈的构造部位更易形成裂缝。此外,页岩在脆性矿物含量高、单层厚度小、成岩阶段晚、有机碳含量高、存在异常高流体压力时,裂缝更发育。研究区牛蹄塘组天然裂缝的发育及伴生的大量微裂缝有效改善了页岩的储渗性能,对提高含气量起重要作用。     

高应力下花岗岩耦合节理在剪切过程中渗透率演化特性

节理滑移时其渗透率的演化特性是岩体水力特性重要的科学问题之一。为了深入了解花岗岩节理在高应力条件下剪切滑移时渗透率的变化规律,对花岗岩耦合节理剪切时的渗透率进行了试验研究。为了解决剪切时高压孔隙流体的密封问题及节理渗透率测量问题,设计了一种适用于高压孔隙流体作用下的剪切渗流试验系统。通过剪切渗流试验获得了渗透率随剪切位移的变化规律,以及剪切应力和法向变形与剪切位移的关系。试验结果表明:高应力条件下剪切峰后节理发生明显的剪胀,但其渗透率呈降低趋势;节理剪切过程中节理的剪胀、压缩和凸起的剪断磨损机制共同影响渗透率的变化;高应力一方面限制了节理的剪胀特性,另一方面也增强了凸起的剪断磨损机制,因此,节理剪切时节理渗透性被显著降低。     

川南深层页岩水力压裂缝网扩展规律数值模拟研究

3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明:在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得有限。基于显微镜观察构建的裂缝模型计算出的结果能够较好地符合场地实际,为深层水力压裂设计和施工提供参考。     

人工裂缝逼近条件下天然裂缝破坏特征分析

通过水力压裂裂缝的诱导应力场打开远场天然裂缝,可改变储层应力场,易形成压裂主裂缝、分支缝、应力松弛缝相互连通的裂缝网络,从而提高了页岩气储层改造效率,因此在页岩气开采中具有广阔的应用前景。人工裂缝逼近条件下天然裂缝的破坏特征是人工裂缝诱导应力场激活远场天然裂缝的核心问题之一。应用位移间断法(DDM),建立了人工裂缝逼近条件下激活天然裂缝的力学模型。根据摩尔-库仑破坏准则,建立了不同天然裂缝破坏状态的约束条件,形成了天然裂缝破坏特征的计算方法,并通过算例验证其正确性。在此基础上,模拟了人工裂缝逼近条件下天然裂缝张开、滑移、闭合行为,并研究了其影响因素。结果表明,天然裂缝下表面处最大主应力呈双峰型分布,天然裂缝下表面处最大主拉应力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增大。当人工裂缝逼近天然裂缝时,天然裂缝的剪切型破坏长度大于张拉型。天然裂缝破坏长度随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增大而减小,随着缝内净压力的增大而增大。天然裂缝破坏长度随着人工裂缝尖端到天然裂缝的距离的减小而增加。天然裂缝剪切型破坏长度随着摩擦系数及黏聚力的增大而减小。研究结果对页岩气压裂技术具有理论指导意义。     

成都新津狮子山滑坡形成机制及稳定性分析

成都新津狮子山滑坡受2008年"5·12"汶川8.0级特大地震及2013年4月20日四川雅安芦山7·0级地震影响,不断产生拉张裂缝及剪切裂缝等变形破坏,滑坡体内应力不断积累,随之改变应力平衡状态,在2013年8月8日由于持续强降雨诱发作用而发生大规模滑移变形。文章依据以往狮子山滑坡勘查成果及地质背景资料,对滑坡的稳定性进行综合评价,并分析论证了滑坡体失稳破坏机理、发展趋势等。结果表明:狮子山滑坡的形成是由于坡体上裂缝在长时间或大强度降雨过程中裂缝充水,向下部渗漏过程中,因遇砂岩阻水,在软弱泥岩中附近形成饱水带,将泥岩软化或泥化,在后缘裂缝地下水静水压力和扬压力作用下,坡体沿前缘方向发生水平和垂直方向的位移,推挤前部的岩土体向临空方向发生滑移;在持续暴雨作用下,将会由天然条件下的稳定状态向欠稳定状态转变。     

高压孔隙CO2/水作用下完整四川三叠系砂岩剪切特性的试验研究

越来越多的地下岩土工程面临着高压孔隙流体的作用,研究高压孔隙CO2/水作用下岩石的剪切特性对工程设计及安全施工、运营具有重要意义。研究了完整四川三叠系砂岩在干燥、饱和水、高压孔隙水和高压孔隙CO24种不同条件下的剪切特性。研究发现:4种不同条件下砂岩的剪切强度和残余剪切强度都会随着预剪切面上有效正应力的增加而增加;在干燥条件下随正应力的增加砂岩的剪切刚度也会增大。孔隙压力对砂岩剪切强度的影响遵守Terzaghi有效应力原理。水和CO2对砂岩的剪切强度具有显著的弱化作用,水会明显降低内摩擦角φ,而CO2对φ几乎不影响;而水对黏结力c的影响小于CO2的影响。其弱化作用可以归结为水/CO2-岩石之间的相互作用,由于砂岩中含有黏土成分,水和CO2都会对黏土产生软化作用。     

温度变化对半刚性沥青路面裂缝的影响

半刚性基层沥青路面反射裂缝产生的原因之一是由半刚性基层温度变化引起的。根据路表代表性温度特征,运用有限元平面模型计算了裂缝尖端的应力强度因子,并对影响其大小的各因素进行了敏感性分析。结果表明,面层和基层的模量以及基层的温缩系数的增大会不同程度地导致裂缝尖端应力强度因子的增大,而面层的温缩系数对裂缝尖端应力 强度因子的影响并不明显。另外,增加面层厚度能有效地降低裂缝尖端应力强度因子,并提出碎石基层可有效地减缓路面反射裂缝的扩展的结论。     

岭澳核电三期强风化角岩边坡岩体直剪试验研究

采用堆载法进行天然状态与饱和状态下强风化角岩边坡岩体的现场直接剪切试验,获得不同正应力水平下剪切应力-剪切变形关系曲线和剪切强度参数,对其剪切应力-剪切变形关系曲线特征和不同正应力作用下剪应力随正应力的变化规律以及水-力耦合作用对剪切强度与变形特性影响进行了分析。试验结果表明：岩体峰值剪切强度和屈服剪切强度均随正应力的增大而增大;天然状态和饱水状态下剪应力随不同正应力的变化趋势基本相同;岩体剪切强度随含水率的增大而减小,在低法向应力下尤其敏感;水对岩体强度参数中黏聚力c的弱化作用更加明显,同时加大了岩体变形量,延长了岩体变形过程;通过现场直剪试验测得的法向变形可以估算岩体的压缩模量,为边坡稳定性分析提供参数。     

含多裂纹沥青路面的动力响应分析

考虑沥青材料的黏弹性,结合动力学和断裂力学理论,通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在移动交通荷载作用下的动力特性,考察了裂纹间距变化对动态应力强度因子以及裂纹尖端应力的影响。研究结果表明,在移动交通荷载作用下基层底面裂纹处于Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子交替控制下;裂纹间距增大,对基底裂纹应力强度因子的影响逐渐减小;表面裂纹尖端在移动荷载距其较近时受压应力,且随裂纹间距增大,最大压应力先微弱减小后逐渐增大;在移动荷载经过表面裂缝时,裂缝尖端经历了方向相反的剪切作用,随着裂纹间距的增大,最大剪应力呈现先减小后增大的趋势。同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。     

四川长宁地区页岩储层天然裂缝发育特征及研究意义

页岩气是非常规天然气的一种,具有极低的孔隙度和基质渗透率,在勘探开发过程中势必要进行天然裂缝研究和评价。通过对长宁地区大量野外露头及岩心的观测统计,采用了页岩天然裂缝的地质成因、力学性质和形态特征相结合的页岩裂缝分类方案,将该区天然裂缝划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝三类,其中构造裂缝进一步依据形态及力学性质划分为穿层剪切缝、层内扩张缝和顺层滑脱缝;成岩裂缝进一步依据形态特征划分为层理缝和收缩缝。本文论述了分类方案的合理性,并分别阐述了页岩中各天然裂缝类型的特征。在此基础上,总结了页岩天然裂缝研究对页岩气勘探开发的作用及意义。层内扩张缝和页理缝影响页岩气的富集,而穿层剪切缝和顺层滑脱缝则在不同地质背景中影响页岩气的保存。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

渝东南下古生界页岩构造裂缝形成及分布控制因素

天然裂缝对页岩气储集和渗流有重要影响,但目前对页岩构造裂缝研究不够深入。本文通过露头、岩心裂缝观察和分析,探讨了渝东南下古生界页岩构造裂缝类型、形成机理及分布控制因素。基于裂缝特征及力学成因,将剪切裂缝分为高角度剪切裂缝、倾斜滑脱裂缝和水平滑脱裂缝。倾斜滑脱裂缝是在上覆岩层重力和水平构造应力共同作用下沿应力集中的软弱面发生剪切滑动形成,水平滑脱裂缝是在构造挤压应力作用条件下主要沿页理面方向的剪切或层间滑动形成;页理发育程度及岩层曲率是控制水平滑脱裂缝形成的关键因素,岩石矿物组成、构造作用及岩层厚度是控制其它类型构造裂缝形成和分布的主要因素,页岩岩石力学层的划分需要根据裂缝特征、岩性变化特征、岩石力学参数及沉积界面等综合确定,岩层厚度与层间构造裂缝密度呈负相关关系。     

岩石张拉裂缝与充填胶结裂隙的相互作用

工程开挖扰动、卸荷和水力破岩产生的工程裂缝与先存裂隙的相互作用在岩石工程中十分普遍,建立适用于工程裂缝遇先存裂隙的扩展准则是解释工程裂缝扩展机制和研究岩体弱面剪切滑移的关键。采用两种不同强度的混凝土充填材料模拟强、弱胶结的先存裂隙,在只考虑准静态张拉应力作用下,依据半圆三点弯法测定了充填胶结型岩石的Ⅰ型静态断裂韧度;通过分析工程裂缝扩展轨迹,获得了临界启裂角与应力逼近角的关系;进一步探讨了工程裂缝与先存裂隙的相互作用扩展模式与判别准则。结果表明：张拉应力作用下工程裂缝与先存裂隙的相互作用受应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度的共同影响;充填胶结砂岩的静态断裂韧度随应力逼近角增大先增大后减小;启裂逼近距离较大时,断裂韧度随应力逼近角变化不大,而启裂逼近距离较小时,断裂韧度随应力逼近角增大呈现先增大后减小的规律;应力逼近角影响充填胶结岩石的断裂韧度,但影响程度不如启裂逼近距离和充填物胶结强度,且存在一个极限影响距离。即使在张拉应力作用下,岩石材料的裂隙前端同样存在剪切局部化,因此,工程裂缝是否穿过先存裂隙取决于应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度共同作用下裂隙面的抗剪强度和先存裂隙...     

莫尔－库仑强度理论的修正

本文对莫尔－库仑（Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ）强度理论作了重要修正。指出静水应力不仅对材料固有强度，而且对剪切滑移也有影响，从而得到了一个计及中间主应力影响的剪切强度公式。根据断裂力学的分析，该公式可进一步用于材料的断裂强度的计算。     

超固结粉质黏土快速大剪切力学特性

本文借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,通过进行不同应力历史、剪切速度和正应力等条件下的系列试验,对吉林长春地区广泛分布的超固结粉质黏土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了试验研究。试验结果显示,前期固结历史和剪切速度不仅对超固结粉质黏土的抗剪强度变化具有显著的影响作用,并且对于其峰后应变软化亦产生明显的影响。在相同剪切速率和正应力条件下,前期固结压力越大,其峰值强度和残余强度值越大。不同剪切速度下的试验结果表明,在具有相同应力历史的条件下,峰值强度和峰后应力降低随着剪切速度的增大而增大。剪切速度越快越有利于土应变软化的产生以及剪切面的形成。在快速大剪切条件下对长春地区超固结粉质黏土抗剪强度变化起主要作用的是剪切过程中土体结构的变化和剪切面的生成,而剪切过程中孔隙水的作用并不显著。     

基于非达西流动的自支撑剪切裂缝导流能力实验研究

页岩储层有天然裂缝和弱面发育,采用大规模压裂技术对其进行改造会在改造区域形成大量自支撑剪切裂缝,该自支撑剪切裂缝在页岩气开发中具有重要作用,研究和评价裂缝导流能力的大小对页岩气开发具有重要指导意义。常用的基于Darcy流动方程推导的裂缝导流能力评价公式,不能满足流体高速流动时的裂缝导流能力评价,需要开发适合于页岩的自支撑裂缝导流能力评价方法,为页岩体积改造形成的自支撑裂缝导流能力评价提供支持。选用龙马溪组页岩储层岩样,利用自行研制的剪切-渗流耦合实验系统对样品进行剪切,形成剪切自支撑裂缝,在应力-渗流耦合条件下进行氮气流动测试,获得一组压力和气体流量数据,基于非线性Izbash定律描述气体在自支撑裂缝中流动特征方程,和基于流动特征方法建立自支撑裂缝导流能力计算公式,根据测试数据计算了自支撑裂缝的导流能力,利用裂缝导流能力计算理论气体流量,结果表明理论流量和实测流量具有很好的符合性。开展了不同剪切位移和不同围压条件下页岩自支撑剪切裂缝导流能力评价实验,结果表明,自支撑裂缝导流能力受错位程度、粗糙度等性质影响;在围压10～40 MPa实验条件下自支撑剪切裂缝导流能力在0.1～1 D·cm范围。新建立的导流能力评价方法可为流体高速流动时裂缝导流能力评价提供一种有效途径。