不同温度作用下砂岩热开裂的实验研究

砂岩的热开裂研究具有广泛的工程背景,本文实时在线观察和研究了不同温度作用下平顶山砂岩的热开裂：温度低于150℃时,砂岩几乎不发生热开裂;温度从150℃升高到300℃过程中大量的热开裂发生.而不同的矿物成分发生热开裂的阈值温度不完全相同,因此热开裂的阈值温度或者阈值温度范围只具有统计意义.砂岩热开裂主要与矿物成分的热学与力学性质有关,除了受到矿物热膨胀不匹配及热膨胀各向异性的影响,更重要的还受到矿物颗粒形状的影响,如热开裂多发生在矿物颗粒的短轴方向、优势结晶取向、颗粒奇异界面等,且热开裂的分布具有随机性.实验还观察到砂岩表面微缺陷发生闭合的全过程,在冷却过程也有微裂纹形成等现象.     

油页岩热破裂规律显微CT实验研究

利用太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所最新共同研制的μCT225kVFCB型高精度（μm级）CT试验分析系统,对油页岩从常温到600 ℃高温下的热破裂过程进行了显微观测和分析,揭示了抚顺油页岩的热破裂阈值温度为300 ℃附近.当温度低于300 ℃时,已可见到极少数较小的微裂隙出现,裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,形成的破裂面基本上都与层理面互相平行.当温度超过300 ℃,由于受到热分解化学反应的控制,裂隙的数量、长度和宽度剧烈增加,呈现广泛发育、集中爆发的特点,并使原有裂隙迅速延展和贯通,且裂隙面仍具有与层理面平行的特点,这是油页岩热破裂的典型特征;同时,也形成了许许多多垂直于层理方向的微小裂隙,小裂隙与大裂隙的搭接连通,形成了一个庞大的连通网络结构,从根本上提高了油页岩的渗流能力.     

2010年玉树超剪切破裂地震破裂过程反演

为探讨玉树地震是否为超剪切破裂事件,利用Yagi的方法重新进行了此次地震震源破裂过程的反演。通过给定不同的破裂速度进行对比,发现当破裂速度为4.7km/s时,理论与实际观测结果拟合残差最小,且反演结果更符合实际。另据P波高频辐射能量包络反演,破裂传播速度在4.7～5.8km/s范围内,而该地区的剪切波速度则为3.0～3.6km/s,从而证明了此次地震超剪切破裂现象的存在。反演结果表明,此次地震在玉树段的NW和SE段形成了19和31km的地表破裂,而震中所在的中段由于隆宝湖拉分盆地的存在,造成了15km的未破裂区。超剪切破裂是造成SE段玉树县城遭受严重破坏的原因之一。     

地震破裂过程的几何学与运动学特征的模拟

本应用形变破裂和激光全息光弹实验，结合断裂力学的观点研究了地震破裂过程的三个方面：１．地震破裂的力学机制；２．地震破裂的应变特征与运动过程；３．地震破裂过程的应力场分布特征。并分析了地震破裂过程的几何学与运动学特征以及探讨了它们与地震发生。前兆和余震迁移的密切关系。此项研究为活动断层分段研究和地震预报提供了实验证据。     

1993年日本海地震的异常破裂过程

１９９３年日本海地震的异常破裂过程１９９３年７月１２日，一次大震和由它产生的海啸，给日本、朝鲜和俄罗斯三国的日本海沿岸地区造成了严重破坏，尤其是北海道西南海岸和奥夙岛更为严重。对这次地震的各个方面无疑将进行非常详细的研究。本文集中论述构造环境和在对地...     

地震破裂过程的研究

研究震源力学模型的一个新方向是用动态扩展的剪切裂纹模拟地震破裂过程。本文利用裂端有塑性区薄层且断层面上有摩擦力的平面剪切裂纹错动模式来表示地震破裂过程,对运动方程和边界条件进行拉氏变换和傅氏变换,利用维纳-霍普（Wiener-Hopf）方法和卡格尼阿（Cagniard）方法得到了断层面上的位移和应力表达式。根据裂端附近的能量平衡条件,计算了地震破裂的平均速度和塑性区尺度,还讨论了断层面上的位错分布函数,并对某些前震地震波高频成分增多的现象提出了解释。在本文假定的参数条件下,地震破裂的平均速度c=0.72β,β是介质的剪切波速。塑性区尺度约为地震新断层总长度（包括塑性区）的12％。按本文的结果,由于破裂速度的增加,前震的震波初动半周期减小的异常幅度不会超过39％。     

地震破裂过程的研究

研究震源力学模型的一个新方向是用动态扩展的剪切裂纹模拟地震破裂过程。本文利用裂端有塑性区薄层且断层面上有摩擦力的平面剪切裂纹错动模式来表示地震破裂过程,对运动方程和边界条件进行拉氏变换和傅氏变换,利用维纳-霍普（Wiener-Hopf）方法和卡格尼阿（Cagniard）方法得到了断层面上的位移和应力表达式。根据裂端附近的能量平衡条件,计算了地震破裂的平均速度和塑性区尺度,还讨论了断层面上的位错分布函数,并对某些前震地震波高频成分增多的现象提出了解释。在本文假定的参数条件下,地震破裂的平均速度c=0.72β,β是介质的剪切波速。塑性区尺度约为地震新断层总长度（包括塑性区）的12％。按本文的结果,由于破裂速度的增加,前震的震波初动半周期减小的异常幅度不会超过39％。     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

热处理饱水致密砂岩的水相自吸与返排

致密砂岩气藏在开发过程中由于水相的侵入或滞留会在近井带或水力裂缝面造成水相圈闭损害,严重影响开发效益.储层高温热处理作为一种新型储层改造技术,已应用于解除近井地带水相圈闭损害.选取鄂尔多斯盆地典型致密砂岩岩样,分别采用干岩样、饱和蒸馏水、饱和3%KCl溶液以及饱和地层水的岩心开展了100～600℃的热处理实验;进行了超过阈值温度的高温热处理前后的岩心自吸、返排实验,并对热处理前后岩心的水相圈闭损害程度进行评价.研究表明,饱和蒸馏水和饱和3%KCl溶液的岩样在热处理后的增渗率明显大于干岩样和饱和地层水的岩样,且岩样热致裂的阈值温度明显降低,从干岩样时500℃降低到300℃;高温热处理增加致密砂岩孔隙度与渗透率,不仅使水相自吸量与自吸速率明显提高,而且岩心渗透率恢复率显著提升.致密岩石热致裂阈值温度可以降低,热增渗后不仅解除水相圈闭损害,而且可以预防后期作业储层水相圈闭损害.     

Surficial fractures in the Navajo sandstone,south-western USA: the roles of thermal cycles,rainstorms, granular disintegration,and iterative cracking

Deep (> 5 m) sheeting fractures in the Navajo sandstone are evident at numerous sites in southern Utah and derive from tectonic stresses. Strong diurnal thermal cycles are, however, the likely triggers for shallow (< 0.3 m) sheeting fractures. Data from subsurface thermal sensors reveal that large temperature differences between sensors at 2 and 15 cm depth on clear summer afternoons are as great as those that trigger sheeting fractures in exposed California granite. Extensive polygonal patterns in the Navajo sandstone are composed of surface-perpendicular fractures and were produced by contractile stresses. Numerous studies have shown that porewater diminishes the tensile strength of sandstone. Based on our thermal records, we propose that cooling during monsoonal rainstorms triggers polygonal fracturing of temporarily weakened rock. On steep outcrops, polygonal patterns are rectilinear and orthogonal, with T-vertices. Lower-angle slopes host hexagonal patterns (defined by the dominance of Y-vertices). Intermediate patterns with rectangles and hexagons of similar scale are common. We posit that outcropping fractures are advancing downward by iterative steps, and that hexagons on sandstone surfaces (like prismatic columns of basalt) have evolved from ancestral orthogonal polygons of similar scale. In lava flows, fractures elongate intermittently as they follow a steep thermal gradient (the source of stress) as it rapidly moves through the rock mass. In our model, a steep, surficial thermal gradient descends through unfractured sandstone, but at the slow pace of granular disintegration. Through time, as the friable rock on stable slopes erodes, iterative cracking advances into new space. Hexagonal patterns form as new fractures, imperfectly guided by the older ones, propagate in new directions, and vertices drift into a configuration that minimizes the ratio of fracture length to polygon area. © 2020 John Wiley & Sons, Ltd.     

Stress relaxation and attenuation of fluid－saturated sandstone at low frequency

Ｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎａｎｄａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｔｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙＤａｏ－ＹｉｎｇＸＩ（席道瑛），Ａｉ－ＷｅｎＬＩＵ（刘爱文）ａｎｄＷｅｉＬＩＵ（刘卫）（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏ...     

Origin of gray-green sandstone in ore bed of sandstone type uranium deposit in north Ordos Basin

Dongsheng sandstone-type uranium deposit is located in the northern part of Ordos Basin, occurring in the transitional zones between gray-green and gray sandstones of Jurassic Zhiluo Formation. Sandstones in oxidized zone of the ore bed look gray-green, being of unique signature and different from one of ordinary inter-layered oxidation zone of sandstone-type uranium deposits. The character and origin of gray-green sandstones are systematically studied through their petrology, mineralogy and geochemistry. It is pointed out that this color of sandstones is originated from secondary oil-gas reduction processes after paleo-oxidation, being due to acicular-leaf chlorite covering surfaces of the sandstone grains. To find out the origin of gray-green sandstone and recognize paleo-oxidation zones in the ore bed are of not only theoretical significance for understanding metallogenesis of this kind of sandstone-type uranium deposit, but also very importantly practical significance for prospecting for similar kind of sandstone-type uranium deposit.     

低渗砂岩储层渗透率各向异性规律的实验研究

应用1摩尔/升的盐水作为孔隙介质,采用液体压力脉冲法对采自鄂尔多斯盆地某油田三叠系延长组低渗砂岩样品进行了渗透率随有效应力的变化规律实验研究.在围压0～100MPa,孔隙压力0～12MPa范围内,样品的渗透率变化范围在0～60×10-18 m2之间,实验结果表明样品的渗透率随有效应力的增加而减少.通过拟合实验结果,得到渗透率随有效应力的变化规律较好的符合幂函数关系,相关系数介于0.903～0.984之间.同时对同一样品的X,Y,Z相互垂直三个方向的渗透率随有效应力的变化进行了比较,结果表明渗透率的各向异性同样是压力的函数,且随着有效应力的增加,不同平面内的渗透率各向异性表现出了不同的变化规律.但在实验压力范围内,渗透率各向异性皆为正值,表明在有效应力为100MPa范围内孔隙内流体的流动方向未发生改变.研究结果为鄂尔多斯盆地低渗(超低渗)油气田开发,特别是对深部油气田开发过程中开发方式的选择与设计,充分利用渗透率各向异性的特点,提高采收率提供了新的岩石物性资料.     

Experimental sandstone weathering using different wetting and drying moisture amplitudes

Wetting and drying is an acknowledged yet still poorly understood rock weathering process. Previous experiments documented in the literature measure physical changes or mass loss in relation to moisture oscillations but only one study directly compares different moisture amplitudes by using different modes of moisture application. In this experimental study, four sets of sandstone tablets are subjected to 48 h wetting and drying cycles at set moisture content fluctuations of 29, 42, 56 and 63% respectively. A common moisture application, full immersion, is used for all four sets. Mass loss after 52 cycles averaged 0·27%, some three times more than that of the control samples. Average porosity of the samples increased, while water absorption capacities and the saturation coefficients of the samples decreased. No discernable difference in mass loss or change in physical properties was found between the different sample sets. When compared with previous studies, results suggest that the effect of moisture application type may be more of a controlling factor on the weathering effect than actual moisture content achieved. A need to move towards a more standardized approach in wetting and drying experimental studies is emphasized. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

泥质砂岩中接触胶结泥质定量估算及对砂岩弹性的影响

在泥质砂岩的岩石物理建模中,明确泥质砂岩中泥质胶结物的接触类型及其含量对正确认识泥质的胶结作用对泥质砂岩声速的影响以及合理地建立岩石物理模型至关重要.现阶段,尚未有实验室定量估算胶结泥质的方法,导致应用胶结砂岩理论模型预测胶结砂岩地层的声速时往往由于胶结物含量被高估从而导致预测声速结果偏高.本文通过观察铸体薄片中泥质与颗粒之间的接触关系和相对分布提出了一种区分胶结泥质和分散泥质的方法：与两个或两个以上颗粒接触的连续分布的泥质为胶结泥质;与一个颗粒接触或者不与颗粒接触的泥质为分散泥质.基于这一准则,本文基于像素拾取法估算了人造泥质砂岩的胶结泥质含量,并将胶结泥质含量作为胶结砂岩模型的输入参数优化CCT模型.对比原始模型,本文方法声速误差下降了20%,预测准确度显著提高.本文方法适用于弱胶结地层的岩石物理建模,能够准确的预测声速以结合地震和测井资料识别有利储层,定量评价储层参数.

     

泥质砂岩液相渗透率计算新方法

液相渗透率描述了岩石的渗流特性,是评价储层与预测油气产能的重要参数.液相渗透率是指盐水溶液在岩石孔隙中流动且与岩石孔隙表面黏土矿物发生物理化学作用时所测得的渗透率;液相渗透率的实验测量条件更加接近实际地层泥质砂岩的条件,使得液相渗透率更能反映地层条件下泥质砂岩的渗流特性;然而,现有的液相渗透率评价模型较少,且模型未能揭示液相渗透率与溶液矿化度之间的关系.基于此,开展了液相渗透模型推导与计算方法研究;文中首先将岩石等效为毛管束模型,推导建立了液相渗透率与比表面、喉道曲折度、总孔隙度、黏土束缚水孔隙度等参数之间的关系;其次,根据岩石物理体积模型,推导建立了黏土束缚水孔隙度与阳离子交换容量、溶液矿化度等参数的关系;最终,将黏土束缚水孔隙度引入液相渗透率计算公式,建立了基于总孔隙度、阳离子交换容量、溶液矿化度、比表面、喉道曲折度等参数的液相渗透率理论计算模型.液相渗透率计算模型与两组实验数据均表明,液相渗透率随阳离子交换容量的增大而降低,随溶液矿化度的增大而增大.然而,液相渗透率理论计算模型的实际应用中喉道曲折度、比表面等参数求取困难,直接利用理论模型计算液相渗透率受到限制.在分析液相渗透率与孔隙渗透率模型的基础上,建立了液相渗透率与空气渗透率之间的转换模型,形成了利用转化模型计算液相渗透率的新方法.为进一步验证液相渗透率与空气渗透率转化模型的准确性,基于两组实验数据,利用转换模型计算了液相渗透率;液相渗透率计算结果与岩心测量液相渗透率实验结果对比显示,液相渗透率计算结果与实际岩心测量结果吻合较好,文中建立的液相渗透率与空气渗透率转化模型合理可靠.