注CO_2条件下花岗岩破裂特征的试验研究

CO_2增强型采热(CO_2-EGS)工程中CO_2作用下岩石的水压破裂行为是目前亟需解决的一个关键科学问题。作者从福建漳州采取花岗岩露头,利用自主研制的厚壁圆筒式致裂仪进行了不同流体(CO_2、水)的水压致裂试验,研究了CO_2、水入渗致裂后花岗岩的破裂特征及破裂机理。研究表明:随着致裂液粘度的减小,试样破裂过程会形成更多且更曲折的微裂纹分支,这意味着,采用CO_2压裂可能更有利于形成缝网,从而有助于提高增强型采热(EGS)工程中换热效率;试样的破裂压力随着致裂液粘度的减小而降低,而较低的破裂压有助于注入井的安全运行;试验结果可用从对流换热角度分析的流体岩石相互作用机理解释,进而验证了其准确性。     

注CO2条件下花岗岩破裂特征的试验研究

CO2增强型采热系统（CO2-EGS）工程中CO2作用下岩石的水压破裂行为是目前亟需解决的一个关键科学问题。从福建漳州采取花岗岩露头,利用自主研制的厚壁圆筒式致裂仪进行了不同流体（CO2、水）的水压致裂试验,研究了CO2、水入渗致裂后花岗岩的破裂特征及破裂机制。研究表明：随着致裂液黏度的减小,试样破裂过程会形成更多且更曲折的微裂纹分支,这意味着,采用CO2压裂可能更有利于形成缝网,从而有助于提高增强型采热（EGS）工程中换热效率;试样的破裂压力随着致裂液黏度的减小而降低,而较低的破裂压有助于注入井的安全运行;试验结果可用从对流换热角度分析的流体岩石相互作用机制解释,进而验证了其准确性。     

CO2基增强型地热系统中流体-花岗岩相互作用研究进展及展望

CO_2与水相比,膨胀性大、黏度低、与岩石反应程度低,并且在作为增强型地热系统(EGS)渗流传热流体时,比水具有更高的换热效率。对CO_2-EGS生产过程中储层岩石物性变化的研究具有重要意义,从理论研究、实验研究、数值模拟3个方面,对CO_2基增强型地热系统CO_2-EGS中流体-岩石相互作用的研究现状进行了总结,并且从矿物成分、微观孔结构和力学性质3个方面对储层岩石性质的变化进行了评价。结果表明,CO_2-水-岩石相互作用参与反应的矿物主要为石英、长石类;而沉淀的矿物为蒙脱石、伊利石及方解石等。CO_2-水-岩石相互作用会导致储层岩石的力学性质下降,孔隙结构特征改变。最后,讨论了CO_2作为EGS渗流传热流体仍需攻克的难点问题,包括:CO_2的热动力学特征、换热效率,CO_2-水-岩石的相互作用及其对储层性质的改变,影响CO_2-EGS经济性的因素,以及CO_2-EGS数值模型的研究等。针对这些方面的研究可为今后CO_2-EGS的开发奠定基础。     

摩尔-库伦强度准则在水压致裂数值模拟中的应用

水压致裂的基本计算原理是以最大张应力准则为基础的。一般认为水压致裂过程中,孔壁在水压力的作用下只会发生拉张破坏。最近的实践表明,孔壁的破坏不仅会产生张性破坏还会产生剪切破坏。本文基于摩尔-库伦准则,通过理论推导得出水压致裂过程中孔壁不仅产生张性破坏,也产生剪切破坏,同时验证了摩尔-库伦准则在水压致裂孔壁破坏机理研究中的适用性;利用数值模拟的手段以莫尔-库伦准则来说明水压致裂应力测量中裂缝并不总是拉张破坏引起的,也有可能是剪切破坏,且起裂位置与应用最大拉应力准则时重合;由于围压对莫尔-库伦剪切破坏准则破裂应力有较大影响,因此即使同一种岩石在不同的应力状态下的破裂对应正应力也将不同,该研究为摩尔-库伦准则在水压致裂中的应用有重要的参考价值。     

破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行不同围压下砂板岩三轴压缩全过程试验,并测试破裂岩体试样峰后的天然含水状态强度。对试样破裂面施加4级动水压力和静水压力,分别获得天然含水状态和每级水压下破裂岩体试样的强度。试验结果及分析表明,水对破裂岩体强度影响的作用机制主要表现在饱和软化与水压弱化两方面,即饱和软化作用不随水压的增减而变化和水压力对强度的弱化作用随水压升高而线性增大;主要影响强度参数中的黏聚力,对内摩擦系数的影响较小;裂隙岩体中静水压力的弱化作用强于动水压力。试验与分析还获得水对裂隙岩体的饱和软化以及静水压力综合作用的定量表达,并对这些成果的工程应用进行讨论。     

广西栗木花岗岩岩浆气—液分异作用与成矿作用

广西栗木花岗岩是华南地区具有代表性的含锡、钨、钽、铌矿的稀有金属花岗岩,发育一些紧密共生但结构有明显差异的岩石。在岩相学研究的基础上,运用热动力学原理对这些特殊地质现象进行成因分析以了解相应的岩浆演化过程,得出的结论构成了岩浆演化的动态证据链并相互印证,且与热动力学方程检验结论相吻合。研究结果表明,气—液分异是稀有金属花岗岩最重要的成岩与成矿作用机制。当富水岩浆上升侵位时,岩浆发生大规模的气—液分异作用,形成新的熔体相和大量夹带气相的气泡。新的熔体相因饱和水压尸(H_2O)的突然降低而过冷却结晶形成斑状结构岩石,气泡则上升迁移至不同部位,随后破裂再次发生气—液分异形成残余气流体和残余熔体相。残余气流体进一步交代先结晶的斑状结构岩石形成蚀变带花岗岩,或者结晶形成伟晶岩。残余气流体还是金属成矿元素迁移的主要载体,岩体内带的蚀变花岗岩型锡铌钽矿的成矿作用主要与残余气流体对花岗岩的自交代作用有关,而岩体顶上带的岩脉型钨锡矿的成矿作用主要与残余气流体在围岩裂隙中的结晶作用有关。     

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态，对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作，获得了20个测段地应力状态；室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验，包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验，获得了岩石空间非均质度和强度分布特征，并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明：主应力大小随测量深度近似呈线性增大，测试孔的最大水平主应力值为20.78～45.20 MPa，最小水平主应力值为14.94～35.33 MPa，平均最大水平主应力方向为NW65°；测试孔岩芯各层位非均质度不同，变辉长岩非均质度系数为0.1～0.3，且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著，岩石离散度较小，花岗岩非均质度系数最高，可达1.0，以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主；岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向，扩展方向和最大水平主应力方向的夹角φ影响着最大、最小水平主应力的测量结果，且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系，对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。     

室内水压致裂实验的断裂力学分析

在施加围压的条件下对7种不同类型的岩石试样进行室内水压致裂实验,测量其破裂压力值。实验采用的岩样为带中空孔的圆柱型试样(试样直径为40mm和62mm)。通过向孔内注水压或在孔内放置可膨胀聚合物套管的方式施加孔压。由胡克围压舱施加围压,围压值控制在45MPa。本文最后对实验所得的破裂压力值与用线弹性断裂力学数值模型计算的理论破裂压力值进行了对比。     

一种用于水压致裂试验的水压供给装置研制及应用

为研究水压致裂过程中水力裂缝的起裂、扩展规律及机制,研制了一种新型水压供给控制装置。该装置由水泵、增压泵、空气压缩机和导水钢垫板等组成。该装置的主要特点是易于与目前广泛存在的压力伺服机相配合,共同完成水压致裂试验,具有操作简便、效率高、成本低、组装方便等优点,使水压致裂试验更易大面积推广。利用该试验装置对类岩石试块进行了水压致裂试验,研究了不同围压下含预置裂隙试件的水力裂缝扩展规律,并与无预置裂隙试件水力裂缝扩展规律进行了对比。试验结果表明,对于含预置裂隙试块,当水平应力差较小时,预置裂隙裂尖对水力裂缝扩展影响较大,水力裂缝起裂后向预置裂隙裂尖方向扩展;随着水平应力差的增大,水力裂缝向最大水平应力方向偏转。试验证明该装置可靠性高,试验过程稳定。该研究对水压致裂试验具有促进意义。     

不同压裂介质影响下绝对应力测值的试验研究

为研究不同压裂介质影响下的绝对应力测值,利用大尺寸真三轴模拟水压致裂试验系统,用清水及密度分别为1.1、1.2、1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对400 mm×400 mm×400 mm的花岗岩试样进行了水压致裂室内试验,成功获取了连续的压力-时间曲线。利用6种方法识别压力-时间曲线的闭合压力点,与实加最小水平主应力（ 5 MPa）对比,得出单切线等4种方法较为符合实际情况;在考虑试验系统柔度影响前提下,对比了实测和理论重张压力;最后分析了在持续泵压作用下岩石裂缝延伸的压力。试验结果表明,密度为1.1、1.2 g/cm3的泥浆介质对压力特征参数的取值影响较小,误差不超过1 MPa,但密度为1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对特征参数值影响很大。试验结果对水压致裂地应力测量技术在不同压裂介质影响下的适用性有重要的指导意义。     

单孔岩样水压致裂的数值分析

水压致裂是改变岩体结构的一种天然行为和人为手段。采用F－RFPA2D软件,对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。将开始出现声发射的水压称为微裂压力,将声发射急剧增多、裂缝非稳定扩展直至岩样破坏的水压称为破裂压力。岩样尺寸一定时,微裂压力和破裂压力随内孔面积增加而降低,方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力和破裂压力随围压或岩样强度增加而增加,且其差值随岩样强度增加而增加,理论破裂压力与模拟值趋势基本一致。方形孔的宏观裂纹起裂位置多在角点附近,而圆形孔比较随机。无围压时,宏观裂纹的延伸方向随机;有围压时,宏观裂纹扩展方向大致与主应力方向一致,且沿较大主应力方向的宏观裂纹扩展至岩样破坏,较小主应力方向宏观裂纹不完全发育。研究结果对水压致裂试验和工程实践有一定参考意义。     

基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明：围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。     

胶东乳山脉状金矿床成矿流体性质与演化

位于胶东牟平-乳山金矿带中部的乳山金矿(原称金青顶金矿)是目前我国单脉金储量最大的矿床,金主要产于黄铁矿和多金属硫化物石英脉/细脉中。流体包裹体研究表明,乳山金矿不同蚀变带岩石和各成矿阶段金矿石中的流体包裹体有两种类型:CO_2～H_2O 包裹体和水溶液包裹体。钾长石化蚀变岩、黄铁绢英岩和弱蚀变花岗岩的石英中含有丰富的 CO_2-H_2O 包裹体,而黄铁矿石英脉和多金属硫化物石英脉中 CO_2-H_2O 包裹体数量逐渐减少,以富水的 CO_2-H_2O 两相包裹体和水溶液包裹体为主。显微测温结果显示,弱蚀变花岗岩、钾长石化岩石和黄铁绢英岩石英中的 CO_2-H_2O 包裹体的均一温度范围为236～377℃;而黄铁矿和多金属硫化物石英包裹体的均一温度为170～324℃。成矿早期流体为富含挥发份(X_(CO_2)高达0.53)、中低盐度(3.33～10.48 wt% NaCl)的流体,到主成矿期逐渐演化为以含较低的 CO_2的富水流体(X_(CO_2)为0.01～0.05) 和水溶液流体,盐度为1.23～12.55Wt% NaCl。金和硫化物(尤其是黄铁矿)紧密共生,说明金主要以金硫络合物形式被搬运,CO_2包裹体的广泛存在则表明其对成矿流体的 pH 变化起着重要的抑制作用。水/岩反应、温度下降和压力降低引起的流体不混溶可能是乳山金矿金沉淀成矿的主要原因。     

水力耦合作用下玄武岩启裂机制与临界水压研究

为了研究岩石在水力耦合作用下的启裂机制,针对溪洛渡玄武岩开展了水力耦合三轴试验与声发射测试。试验结果表明：玄武岩峰值强度随着围压的增大而增大,表现出典型的硬脆性行为;当围压保持不变时,其峰值强度随初始水压增大而逐渐降低,同时硬脆性减弱。声发射测试结果表明：玄武岩在水力耦合作用下的裂纹启裂为张拉破坏,在裂纹稳定扩展阶段以张拉破坏为主,以剪切破坏为辅,且这些破坏均主要发生在岩石中部;在裂纹非稳定扩展的峰后阶段,岩石破裂以剪切破坏为主。在玄武岩启裂机制认识的基础上,基于单一圆孔理论推导得到水力耦合条件下岩石裂纹启裂的临界水压破坏准则,并将其引入玄武岩水力耦合三轴试验数值仿真,分析了玄武岩水力耦合破坏过程与水压分布规律,验证了临界水压破坏准则的合理性,对于水力耦合作用下岩石破坏过程研究具有较好的参考价值。     

水压致裂试验过程中诱发的声发射

为了研究水压致裂过程中裂缝的扩展机制,在北京房山花岗岩体中开展了大型水压致裂试验。试验是在一个深 301 m的岩石新鲜完整的FR钻孔中进行的,其周围半径约40 m的范围内布置了4个120 m深的声发射观测孔。在FR孔中深度60 m至140 m的范围内选取了7段没有天然节理的部位进行了水压致裂。在所有的试验中,发现水压致裂形成的裂缝通过天然节理与AE孔连通,只在深度118.5 m进行的试验,观测到由水压致裂产生的AE事件。由声发射的震源机制解得到的P轴和T轴的方向与水压致裂应力测量的方向一致。     

中高温三轴应力下鲁灰花岗岩热破裂声发射特征的试验研究

在中高温三轴应力作用下岩石内部物理化学性质和结构特性将发生变化,随着岩石内部结构的变化会引发一系列的声发射现象。通过试验研究了大试件花岗岩在三轴压力状态下声发射随温度的变化规律。试验研究表明：①随着温度升高,岩石的声发射现象是间断发生的;②花岗岩存在一个开始发生热破裂的门槛值温度,其值为120 ℃左右;③试验温度范围内花岗岩热破裂的声发射现象可分为5个阶段,即岩石原生裂隙整合阶段、热破裂前声发射静默阶段、热破裂声发射阶段、大规模热破裂后声发射静默阶段、二次热破裂开始阶段。     

高压压水试验在某抽水蓄能电站中的应用

简述了高压压水试验方法及其在某抽水蓄能电站中的应用结果,并结合该孔中的水压致裂法地应力试验测试结果进行了分析,高压压水试验的成果与该孔水压致裂法地应力测试结果得到了相互验证。     

热冲击作用下花岗岩力学特性及其随冷却温度演变规律试验研究

相同高温状态花岗岩在不同冷却温度介质中热冲击下的力学特性不同。热冲击作用下花岗岩的力学强度主要取决于内部热冲击破裂裂隙的密度和数量,其决定因素为热冲击速度和热冲击因子,与热冲击温差没有绝对的相关性。采用自主研制的岩石热冲击破裂试验台对青海共和盆地花岗岩进行热冲击破裂处理,测试其抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等宏观力学参数,研究热冲击作用下花岗岩的宏观力学性质及其随冷却温度的演变规律。研究结果表明,(1)相同加热温度的花岗岩,经不同温度冷却介质热冲击破裂后单轴抗压强度、抗拉强度、黏聚力随着冷却介质温度的升高呈现降低趋势,内摩擦角随着冷却介质温度的升高而升高;(2)不同温度恒温水中热冲击下花岗岩的单轴抗压强度和抗拉强度呈有规律的劣化趋势,600℃花岗岩经100℃水热冲击处理后其抗压强度和抗拉强度仅为250℃是经20℃水热冲击作用后的30%;(3)黏聚力随着热冲击破裂程度的加剧呈减小趋势,内摩擦角呈明显增大趋势;(4)热冲击非定常传热对花岗岩力学性质具有劣化作用,干热岩地热人工热储的建造和井筒稳定性控制都需要考虑热冲击作用下花岗岩的强度随冷却介质温度的演变规律。     

水压致裂应力测量数据分析 ——对瞬时关闭压力ps的常用判读方法讨论

在水压致裂应力测量压裂特征参数中,瞬时关闭压力 是重要的研究内容,因为它不仅直接代表最小水平主应力,而且在计算最大水平主应力时,该值又是重要的参数。 判读的准确性和可靠性直接关系到水压致裂应力测量结果的可靠性与精度。结合3个典型的水压致裂测试曲线,分析了单切线法、dp/dt方法、马斯卡特方法和dT/dP法4种常用判读关闭压力方法的取值特点和适用性。结果表明,该4种判读方法对于不同形态的水压致裂测试曲线不具有普遍适用性,因此,对不同形态的水压致裂测试曲线进行判读关闭压力时,所选取的判读方法也不同。对于岩石完整、原生裂隙及节理不发育、岩石结构致密的水压致裂压裂段,应选取以上4种方法中2种或2种以上方法进行判读瞬时关闭压力值;对于岩石完整性差、原生裂隙及节理较发育、岩石结构较破碎的水压致裂压裂段,为取得比较可靠有效的关闭压力值,建议用单切线法计算机自动取值和dp/dt方法所取的关闭压力值。     

浅谈水压致裂应力测量资料的解释与分析

一、引言水压致裂原地应力测量,测量方法简便易行,事先无需知道岩石力学参数,可以重复、连续测量,结果比较可靠.同时还可提供其它测量方法不能得到的、工程上也很需要的一些岩石力学参数,如原地抗拉强度、完整岩石的破裂压力等.由于这一方法具有显著优点,近年来在国内外得以大力推广,现已被广泛应用于大型地下工程、抽水蓄能电站、