液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究

为研究冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征,选取5个岩样进行100次冻融循环试验,并采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构进行测试,得到了冻融作用下砂岩的核磁共振弛豫时间T2谱分布、孔隙度等细观结构特征。根据孔隙的孔径分布特征,按孔径尺寸划分为小孔隙、中孔隙、大孔隙3类,并采用扩散双电层理论对不同尺寸孔隙水分布规律进行了分析。结果表明:随着冻融循环次数增加,核磁共振T2分布右移,砂岩的孔隙度增大;同时,水-岩作用导致部分矿物质溶解在孔隙水中,使得孔隙水中离子浓度升高,导致岩石内部产生大量的次生孔隙。随着孔径尺寸的增加,孔隙中的束缚水含量逐渐减少,且小孔隙的束缚水含量远远大于大孔隙;在低温冻结时,自由水先于束缚水结冰,小孔隙束缚水离子浓度的增长幅度小于大孔隙,进而产生了离子浓度差,使得小孔隙中的水分子向大孔隙迁移,造成小孔隙的损伤速率远小于大孔隙。因此,小孔隙在水-岩作用与冻胀压力的作用下不断发育,大孔隙则在冻胀压力下快速扩张、发育,直至岩样发生宏观破坏。     

冻结温度对岩石细观损伤扩展特性影响研究初探

岩石冻融过程的细观损伤研究是近年来冻融损伤研究的一个新方向。岩石中的水分一般含有各种盐分，而盐分的存在降低了水的冰点，同时岩石本身的结构构造和力学性能也有差异性，这就使得岩石的冻结问题更为复杂，笔者采用三种不同岩样，首先，使其饱水；然后，将其分别降低到0℃，-10℃和-20℃，利用CT扫描实验技术，研究了不同冻结温度条件下岩石内部的细观损伤扩展机理、水分迁移、冰的形成及其损伤结构的变化。利用区段划分的手段和区段统计频率，分析了损伤演化过程，对寒区岩土工程的研究具有一定的指导意义。     

生产条件下冻结岩石钻进的试验研究——冻土钻探专题之三

介绍了俄罗斯有关单位在上钻进冻结岩石的情况，其中包括冷却空气洗井钻进，泡沫洗井钻进，冲洗液洗井钻进的情况，提出了相应的建议。     

冻结砂土的损伤试验研究

任何数值的荷载,都会导致冻土内部冰体塑性流动和冰晶体在土体内的重新定向,以及土颗粒的重新排列.这几方面的因素会使冻土产生微结构的损伤,同时表现出明显的各向异性.基于损伤力学理论,推导出冻土的各向异性损伤变量的表达式,利用-6 ℃冻结砂土的常规三轴试验数据,获得损伤变量的变化曲线.结果表明:损伤变量随应变的增大而增大,呈现出双曲线的变化规律;径向损伤大于轴向损伤;围压有助于冻土结构的强化,减少冻土结构的损伤量.这些规律为利用损伤力学理论建立冻土的损伤本构关系提供了依据.     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

多年冻结岩石钻进工艺研究

钻孔温度特性是影响多年冻结岩石钻进工艺的主要因素之一。描述了不同温度下,多年冻结区钻孔周围融化带发展的规律和特点。从钻井液成分、温度、流态、钻进时间、钻速等方面分析了开孔工艺特点。依据不同冲洗液温度时融化区直径与钻头直径比和冲洗液用量的关系,讨论了冲洗液用量的优化。提出据套管直径、钻头直径、冲洗液温度确定套管许用温度,提高冻结岩石中固孔质量的建议。     

基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析

未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路.     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

基于核磁共振技术的大理岩三轴压缩损伤规律研究

岩样为大理岩,进行了围压20 MPa、不同轴压的常规三轴压缩试验和核磁共振测试试验,测得大理岩在三轴压缩后的应力-应变曲线、弛豫时间T2谱分布和孔隙度,建立了孔隙度与损伤度之间的函数关系。结果表明,（1）孔隙度和轴压比的拟合函数显示,随着轴压的增加,大理岩孔隙度呈指数增长;轴压比小于70%时,大理岩产生弹性变形,孔隙度增长较小,轴压比处于70%～90%阶段时,大理岩以塑性变形为主,孔隙度明显增大,轴压比大于90%时,大理岩产生强烈扩容,孔隙度成倍增长;（2）大理岩内部裂隙数量和裂纹开度均随着轴压的增大而不断增大;（3）损伤度与孔隙度或轴压比的函数关系表明,随着轴压比的增大,大理岩的损伤度不断增大,相同外荷载产生的有效应力也不断增大。     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液(Na Cl、Na₂CO₃)饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线,并与不同浓度的Na Cl、Na₂CO₃纯溶液作对比分析,研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明:土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低;相同浓度Na Cl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度,但相同浓度(<0.6mol/L)Na₂CO₃溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高;同一负温下,土样中未冻水含量随Na Cl初始含盐量的增加而增多,但随Na₂CO₃初始含盐量的变化不明显。通过机制分析,表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程,将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型,得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达,并与实测数据进行对比,验证了该模型能够较为合理的预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

基于核磁共振技术的淤泥固化水分转化机制研究

为了揭示淤泥固化体的微细观水分分布与工程特性的内在联系,针对水泥固化湖泊淤泥,基于柔性壁渗透、无侧限抗压及核磁共振（NMR）试验,探明淤泥固化过程中的水分转化和孔隙结构演化机制,并与固化体的渗透系数k、无侧限抗压强度 和变形模量 建立关联。试验结果表明：7 d龄期内水化反应速率快,淤泥固化体内的大量孔隙水转化成水化物中的化合水,最可几孔径减小,形成孔隙结构骨架主体,导致k值降低、 和 增大;7 d后,只有当孔隙水扩散穿透水化物膜层,水化反应才继续缓慢进行,但 和 仍大幅增长;化合水量 与lgk存在线性关系,而 - 和 - 均呈指数关系。基于微观水分参数与工程特性的量化关系模型,可充分揭示水泥固化淤泥的宏微观演化机制。     

基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究

为研究脆硬性泥页岩水化后细观结构的损伤演化特征,利用核磁共振技术对不同浸泡时间的脆硬性泥页岩试样进行测量,得到不同浸泡时间的试样质量变化、横向弛豫时间T2谱分布以及核磁共振成像。结果表明：水化作用会对岩石内部产生损伤,岩样吸水率在最初的8 h内变化相对较大,1 d后相对接近稳定,之后变化不明显。随着浸泡时间的延长,微裂缝在水化的作用下快速扩展、贯通使岩样表面产生明显裂纹。核磁共振T2谱图和成像结果表明,水化作用使岩样微观结构重新分布,T2曲线信号幅度发生明显的变化,并随着浸泡时间的延长而增加。整个水化损伤分为3个阶段：大尺寸孔隙裂纹发展阶段;小孔隙产生、大尺寸孔隙裂纹加剧扩展;小孔隙加剧产生扩展、大尺寸孔隙裂纹归并贯通至水化破坏阶段。核磁共振图像显示同一块岩样在不同浸泡时间的内部微观结构分布,动态地显示岩石的水化损伤过程。     

饱和度对玄武岩微波响应的影响试验研究

岩石的微波处理效果受诸多因素影响,其中水是一种良好的吸波介质,能提高岩石的微波吸收能力。为探索饱和度对微波照射后岩石响应特征的影响效果,以不同饱和度的玄武岩试样为研究对象,以升温特性、波速与孔隙度变化以及动态抗拉强度等为参考指标,开展了3 kW功率微波照射的破岩试验。从细观与宏观角度的分析结果表明：（1）水的存在影响了微波照射过程中岩样的升温特性,照射的前15 s内,饱和度低于75%组明显促进了升温速率,而饱和度达到100%则作用相反,升温速率低于干燥组;15～30 s随着含水率的减少与蒸发吸热,含水试样升温速率降低;30～45 s内水分蒸发完毕,含水试样的升温速率接近干燥试样。（2）饱和度差异导致玄武岩在微波照射后发生不同程度的波速与孔隙率的变化,波速降幅范围为8.18%～17%,孔隙率增长范围为18.71%～43.65%,损伤效果并未随饱和度升高而增强。（3）同样照射条件下,50%饱和度组在蒸汽压力和热应力共同作用下快速达到强度极限,试样直接发生破坏。其余组试样大多未发生明显细观损伤,最终动态抗拉强度差距不明显。     

寒区隧道围岩变形机理分析初探

隧道围岩冻胀变形机理是寒区隧道工程常见的问题之一。首先评述了国内外现有关于寒区隧道冻胀机理的几种解释,然后对采自西部某寒区岩样进行饱水冻结,通过CT扫描技术观察了岩体内部细观结构变化、水分迁移,发现了围岩冻结后发生收缩的现象,从细观角度研究了岩体的冻胀和收缩机理,完善和补充了围岩冻胀机理假说。