渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

多尺度岩石渗透特性的试验研究

岩体赋存于一定地质环境中,经过漫长的地质构造作用,形成由连续性状的岩石材料和非连续性状的各种地质结构面组成的复杂地质体。渗透率是影响这种复杂岩体渗透特性的重要参数之一,渗透率选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性与工程稳定性。采用室内试验的方法,结合达西定律确定裂隙岩体的渗透率。通过自行研发的5种尺寸压力室测定不同尺寸岩石试样的渗透率,得到由不同裂隙、孔洞组合的岩石试样在稳定流、非稳定流下的渗透率,并由此分析得到多尺度岩石的渗透特性。从多组试验结果中分析可得,随着岩石试样的尺寸增加,岩石的渗流通道增多,从而渗透率增大,但增大到一定程度后会趋于稳定,这一渗透规律对实际工程有指导意义。     

孔隙水压力对岩石力学参数的影响

多孔多相的岩石介质中,孔隙水压力的变化会引起岩石的变形,其力学参数随之改变,而岩石的力学参数变化反过来会引起渗流场发生改变。本文利用岩石力学参数在其中的作用,推导出孔隙水压力变化时,岩石变形与孔隙度、压缩系数和体积弹性模量间的关系式。通过理论计算与分析表明,在渗流场和变形场的非线性程度不很高,参数关系不是很复杂的情况下,利用岩石力学参数的更新来进行耦合分析的方法,对于近期工程应用行之有效。     

地层压力和产水对低渗透气藏气井产能的影响

通常情况下,随着地层压力降低,储层渗透率及流体性质的变化会导致气井产能方程随之发生变化。对于低渗透产水气藏,由于应力敏感、紊流效应、滑脱效应等非线性渗流效应及后期产水的影响,气井产能急剧降低。为了定量评价以上因素对气井产能的影响,基于常规二项式产能方程,建立了综合考虑地层压力变化、非线性渗流效应及产水对气井产能影响的产能方程。通过实例计算表明,由于应力敏感、紊流效应、滑脱效应等非线性渗流效应的综合影响,二项式系数A随地层压力的降低而减小,而系数B随地层压力的降低而增大;此外,由于后期产水影响,含水饱和度不断上升,气相相对渗透率随水气比的上升而减小,使二项式系数A、B均随水气比的上升而增大;因此,气井的产能下降幅度随地层压力下降呈线性升高趋势,随水气比下降呈对数降低趋势。该研究成果对于低渗透产水气井的产能预测及分析具有指导作用。     

不同加载速率下岩石变形场演化试验研究

开展不同加载速率条件下岩石变形场演化特征的试验研究,对岩石安全施工及岩石工程灾害预测预警等具有重要意义。通过不同加载速率下红砂岩单轴压缩试验,在以数字散斑相关方法分析试件变形场的基础上,对加载速率与岩石变形局部化演化特征、泊松比变化及能量积累和释放特征的对应关系进行分析。结果表明:随着加载速率的增加,岩石试件的峰值强度及脆性呈增加趋势。加载速率越大岩石试件的变形局部化启动应力越接近强度峰值,且变形局部化启动时对应的应力量值总体上呈增加的趋势。在不同量级加载速率下岩石试件泊松比量值差别明显,总体趋势表现为:在岩石试件变形局部化启动前,随着加载速率增加,岩石试件泊松比减小;在岩石试件变形局部化阶段,随着加载速率增加,岩石试件泊松比增大。在能量积累阶段,岩石试件最大变形能密度随加载速率增加而增大;在能量释放过程中,岩石试件能量释放速率随着加载速率增加而增大。     

破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究

利用一种专利装置与MTS815.02型岩石力学试验系统,进行了破碎砂岩的稳态渗透试验,得到了不同孔隙率下破碎砂岩的渗透率和非Darcy流 因子。通过线性回归得到了渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系。认为破碎岩石的渗透特性主要是由孔隙率决定的,孔隙率不仅与当前的应力有关,更取决于加载历史。研究表明,水在破碎砂岩中的渗流一般不服从Darcy定律,而服从Forchheimer关系,特别是在小孔隙率下,非Darcy性更为突出;渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系可用幂函数拟合。     

应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。     

岩石裂隙可视化渗流装置可行性及试验研究

自主研发一套能从可视化角度反映岩石单裂隙渗流特征的装置,并以模拟岩石的变形模量为主要技术指标,获得了K39透明类岩石材料的添加剂含量为：促进剂0.8%、硬化剂0.6%、消泡剂0.6%;通过二次翻模精确复刻技术得到原岩裂隙面粗糙度,为研究细微观裂隙渗流提供技术支撑。通过可视化装置与原岩装置模拟试验,得到两者之间的差异性系数,进而推出原岩渗流流量的修正公式,获得了渗流量、渗流面积等能反映原岩性能的相关参数。阐明了K39透明类岩石材料对渗流量的影响效应?总及其影响的内在机制;与以ELE仪器为研究平台的渗流试验进行异同性分析,得到两者渗流量之间存在差异的相对变化系数,证明可视化渗流装置研究岩石裂隙渗流是合理可行的。利用该装置开展空间多角度试验,在耦合粗糙度、渗透压、围压、空间多角度、水自重效应等多因素下,通过渗流面积数字化自识别技术为精确获取岩石渗流特征的相关参数提供基础。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

基于CT扫描的致密砂岩渗流特征及应力敏感性研究

认识低渗透储层的渗流特征对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,研究利用微CT扫描技术对致密砂岩岩样进行扫描,据此建立了能够精细刻画岩样的微观模型,运用COMSOL模拟了流体在岩石孔隙中的渗流特征,研究了致密砂岩的渗流特征及应力敏感性。研究结果表明:流体入口和出口间压差固定时,岩石的渗透率保持不变,与入口出口压力的具体数值无关;不同方向的岩石模型计算渗透率处在同一数量级但有微小差异;在侧向压力作用下,渗流路径变窄,通过渗流路径的整体速度下降,渗透率下降,但在孔隙相对较大的地方,由于路径变窄,流体速度较未加压力前略有上升。      

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

不同填充及加载路径下劈裂砂岩渗流特性研究

采用劈裂宜昌砂岩,对中细砂、粗砂及混合砂砂粒填充条件下加载路径、轴压、围压、填充物颗粒粒径及填充物厚度对渗流速度的影响规律进行探讨。研究结果表明,在不同填充物一定的应力情况下,加力路径发生变化,渗流速度也发生变化,这是工程中测量渗流数据离散的原因之一;轴压与渗流速度成线性关系,当围压?3≤1.5 MPa时,围压对渗流的影响较大,当?3＞1.5 MPa时,围压对渗流的影响极小;粒径与渗流速度呈单调递增关系,围压对无填充物的影响大于对有填充物的影响;渗流速度与填砂厚度在一定范围内呈现指数递增关系、研究中给出特定条件下轴压围压与渗流速度的定量分析公式。     

异常高压气藏储层参数应力敏感性研究

异常高压气藏开采过程中,由于流体的产出,使储层岩石受力发生改变并使储层岩石发生弹塑性变形;而弹塑性变形反过来又影响到储层的孔隙度和渗透率,因此研究储层孔隙度和渗透率应力敏感性具有极其重要的意义。基于岩石力学的基本理论,推导出异常高压气藏岩石变形规律及变形方程,以此理论推导指导试验,将理论研究与实验规律相结合,在模拟地层条件下,对实际岩心样品进行了储层应力敏感性实验研究。实验研究表明,该方法能精确的描述储层孔隙度和渗透率应力敏感性,实验结果与理论推导结果完全吻合,进一步证明了理论推导的正确。