泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价

泥页岩储层的岩石力学特性对油气开发影响极大,进行泥页岩力学特性和脆性评价方面的研究,可以为泥页岩油钻井和压裂设计工作提供技术支撑。实验研究表明,泥页岩抗压强度与围压、杨氏模量成正相关;体积应变量随杨氏模量减小而增大,随泊松比增加而增加;泥页岩破坏在低围压下以劈裂式破坏为主,高围压时多出现剪切式破坏。泥页岩的脆性与其弹性参数和矿物组成关系密切,通过数值模拟和实验测量,综合弹性参数和矿物组分两种方法提出了一种新的脆性评价方法-弹性参数与矿物成分组合法(EP &; MC Method),并实现了单井脆性评价,效果较好。脆性评价既是储层岩石力学特性分析的重要内容,也是压裂选层的重要依据。

     

深埋海相页岩储层特性及其原位条件下脆性评价

储层压裂改造是非常规能源开发的关键核心技术,近年来我国川西南页岩气区块储层埋深已经突破了4000 m,部分储层埋深已经接近5000 m的深度范畴,这些深埋海相页岩储层的开发与3500 m以浅区相比差异较大,其独有特性对于储层改造工程形成挑战。储层压裂改造中起到控制性作用的是储层岩石的物理力学特性,岩石脆性是其中之关键指标。国内外学者提出多个岩石脆性指标评价方法,矿物成分、力学性质、应力-应变曲线特征、硬度测试以及能量理论等等,但是对于深埋储层岩石在原位条件下的脆性评价,则由于实现难度较大而鲜见相关成果。在实验室模拟储层温压条件下在原位钻取岩石样品实施三轴压缩力学试验获得全应力-应变曲线,其峰前与峰后的应力-应变信息有效反映了原位条件下储层岩石的峰值破坏前后的内在材料属性以及变形破坏过程,通过获取多个储层岩芯峰前以及峰后的弹模计算获得脆性指数K₁和K₂,其值能够反映应力-应变后的弹性变形能量、峰后破裂能量以及冗余能量的关系,该脆性指数的最显著特点是能够反映出深埋页岩储层在原位条件下的温度和压力条件下的材料行为属性,从而能够对深埋海相页岩储层进行...     

基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价方法

脆性对岩石破裂模式及损伤演化过程具有重要影响。本文对采自某铁路隧道群的6种不同岩性的脆性岩石开展单轴压缩试验,在分析其应力-应变过程、破坏模式和能量演化特征的基础上,综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率,建立一种基于岩石应力-应变曲线全过程的脆性指数计算方法,进一步基于能量耗散表征损伤变量,分析了脆性岩石损伤演化过程,并探讨了从损伤演化角度建立脆性评价指标的可行性和合理性。结果表明: (1)试验所采用的6种不同岩性岩石应力-应变曲线峰后段均表现出不同程度的脆性跌落现象。(2)基于本文建立的脆性指标对6种岩石进行脆性定量评价和比较,脆性程度由大到小依次为: 辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩、板岩、大理岩。(3)单轴压缩条件下,基于能量耗散表征的脆性岩石损伤演化过程整体呈“S”型发展趋势,可分为初始损伤、损伤保持、损伤稳定发展、损伤加速发展以及损伤减缓至终止5个阶段,能够很好地反映岩石内部微裂纹压密闭合、萌生发育、扩展贯通直至宏观破坏的整个过程。     

页岩单轴压缩应力-应变特征及能量各向异性

层理对页岩力学性质和应变能的积聚和耗散具有重要影响,以不同层理面角度下龙马溪组页岩为研究对象,开展电镜扫描试验和单轴压缩试验,研究起裂、扩容和峰值特征点的应力-应变、弹性模量和泊松比的各向异性特征,分析其页岩变形破坏过程中输入应变能、可释放弹性应变能和耗散应变能的变化规律,揭示输入应变能与层理面角度和抗压强度的关系。结果表明：龙马溪组页岩脆性矿物含量达到72.58%,微观结构各向异性明显;随层理面角度增加,起裂、扩容和峰值特征点的应力和应变都先减少后增大,在 30°时均达到一个最低值,总体上呈现两边高、中间低的U型变化规律;随层理面角度增加,起裂、扩容和峰值特征点的输入应变能、可释放弹性应变能和耗散应变能也先减少后增大,在 30°时均达到一个最低值;各特征点的应力、应变和应变能各向异性敏感性明显,0°≤ ≤30°和30°≤ ≤60°内各向异性的敏感性大于60°≤ ≤90°;起裂应力和扩容应力均与峰值应力呈线性相关,同时峰值应变能与抗压强度存在相应的二次非线性关系,这为页岩气钻井、储层压裂改造和井壁稳定性预测预警提供了根据和参考。     

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力-应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力-应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石Ⅱ类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力-应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏Ⅱ级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力−应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力−应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石II类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力−应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏II级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明：层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义.为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力...     

层状含水页岩蠕变特性试验研究

为分析层理和水对页岩的蠕变特性影响,室内制取0°、30°、60°、90°和不含层理5种页岩,每种层理页岩均处理成干燥、自然、不饱水、饱水4种含水状态,对其进行单轴压缩下的蠕变试验。试验结果表明,（1）层理角度和含水率对页岩的蠕变特性均有较大影响。同一含水率下随层理角度的增大,页岩的初始瞬时弹性呈指数式减小,瞬时弹性模量成指数式增加。相同层理角度下,随含水率升高,页岩的初始瞬时弹性应变线性增长,瞬时弹性模量线性下降;（2）采用含有弹性元件、黏性元件及开尔文体的“伯格斯”蠕变模型对页岩的蠕变过程进行描述,并对模型的参数进行了反演和验证,表明该模型能够较好地反映页岩的蠕变特征。根据试验所得层理和水对页岩蠕变变形的影响规律,通过瞬时弹性模量和黏性系数与层理角度和含水率的拟合关系,将蠕变模型中的瞬时弹性模量和黏性系数替换为层理倾角和含水率的函数,构建了能够反映页岩层理和含水率的蠕变模型。     

基于峰前和峰后能量演化特征的岩石脆性评价

为了准确评价油气储藏水力压裂及岩爆等工程中岩石的脆性,总结了目前国内外已有的基于能量理论计算岩石脆性的方法,并指出了它们的局限性.综合考虑岩石峰前和峰后的能量演化特征,建立了一种基于全应力应变曲线的反映岩石变形破坏全过程的脆性指数评价方法,更加全面地描述岩石的脆性特征.为了验证新方法的合理性,收集了4组岩石力学试验对新...     

宏细观缺陷对岩体力学特性及边坡稳定影响研究

岩体是同时含有宏、细观缺陷的天然损伤地质体,如何更好地反映该两类缺陷对岩体力学特性的共同影响是亟待解决的一个重点和难点问题。采用FLAC3D中的弹脆性模型和Null模型分别描述完整岩石和上述两类缺陷的力学行为,用超细单元剖分计算模型的方法模拟岩体破坏,同时提出一个利用岩石孔隙率反映细观缺陷的新方法,研究细观缺陷即岩石孔隙率、裂隙倾角及长度等对裂隙岩体力学特性的影响。利用该方法研究了上述两类缺陷对岩质边坡临界滑面(CFS)及安全系数(FS)的影响。结果表明,宏观缺陷对岩体单轴压缩破坏模式、峰值强度和弹性模量起控制作用,同时控制岩质边坡的破坏模式和安全系数;尽管细观缺陷并不能改变宏观缺陷对岩体力学行为的控制作用,但其对这种控制作用将产生一定影响,宏细观缺陷以不同的作用机制对岩体力学特性产生影响。     

黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究

为探讨黑色页岩层理对其力学特征与能量耗散过程的影响,以龙马溪组黑色页岩为研究对象,采用室内常规三轴压缩试验,得到了不同围压、不同层理倾角的特征应力、体积应变、裂纹应变,再根据能量平衡原理分析了裂纹应变与能量演化机制。研究结果表明：在相同围压值下,特征应力以及特征应力比随着层理面倾角的增加呈现出先减小后增大的“V”型趋势;随着围压的增加,耗散能突变点能量密度会逐渐增大;耗散比随轴向裂纹应变的增加呈现出先减小后增大的“V”型趋势;试样破坏前后,弹性应变能与耗散能受层理面倾角影响具有一定的转换关系。本研究成果对于进一步探明黑色页岩层理效应对其力学特征与能量演化机制的影响提供了参考。     

不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究

准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。     

深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法

储层岩石脆性评价是储层压裂改造方案设计的重要基础工作,对储层压裂改造效果有着重要影响。以准中地区深层致密砂岩储层为研究对象,开展了0~90 MPa多级围压下的岩石三轴试验,分析了围压变化对于岩石脆性的影响。针对现有脆性指数对目标储层岩石脆性评价效果不理想的情况,基于应力-应变曲线中的能量转化关系建立了新的脆性指数模型,包括岩石峰前峰后脆性指数和综合脆性指数。研究结果表明:试验围压对岩石脆性评价有着显著影响;岩石峰前脆性随围压增大先增加后减小,峰后脆性和综合脆性随围压增大而递减;研究区储层含砾细砂岩的脆性较细砂岩的脆性小,脆性差异主要表现在峰后脆性。      

薄层状红页岩细观破坏特性研究

为研究层状红页岩细观破坏特性,采用DSTD-1000型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验,对碎屑进行SEM电镜扫描和XRD衍射实验,获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此,利用离散元PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型,并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明：(1)层理倾角θ=30°、45°、60°、75°时,试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况,当θ=45°、60°、75°时,裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多,导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明,θ=0°、75°、90°时,微观裂纹倾向分布较为均匀,主要平行于或次平行于加载方向,加载破坏后表现出强烈的各向异性;15°≤θ≤60°时,微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4)考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的36.6%～60.3%,裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的75.1%～90.4%,与大量物理实验所求阈值范围吻合,表明此法...     

基于应力-应变曲线的礁灰岩脆性特征评价EI北大核心CSCD

脆性是岩石类材料的重要性质。针对南海某岛礁在某深度范围内的珊瑚格架灰岩、砾块灰岩、砾屑灰岩及砂屑灰岩的钻孔芯样,开展室内物理性质测试及压缩试验。研究表明,礁灰岩的物理力学性质与其沉积组构和成岩作用密切相关;基于峰后应力降的相对大小和绝对速率的脆性指标计算方法能够反映礁灰岩的破坏特征;围压对礁灰岩的脆性指标影响显著,随着围压的增大,试样的脆性指标呈现趋势性降低;单轴压缩条件下,低孔隙率的砂屑灰岩脆性指标与水泥砂浆类似,同时高于格架灰岩及砾块灰岩;随着孔隙率的增大,砂屑灰岩和砾屑灰岩的脆性指标减小,饱和单轴抗压强度也与孔隙率呈负相关关系。     

页岩单轴压缩破坏试验的光纤布拉格光栅测试技术研究

由于化石能源工业的不断发展及其大量燃烧造成的严重环境污染问题等原因,促使页岩气逐渐成为绿色革命的关键能源组成之一。四川盆地龙马溪组是我国页岩气主力开采层位,在页岩气开采过程中,针对储层变形监测将有利于指导现场页岩气开采方案和安全风险管理等工作。光纤布拉格光栅测量应变的方法是近年来被广泛使用的一种新颖先进的实时应变监测技术,研究将其运用于页岩单轴压缩试验并对页岩表面应变进行监测。结果表明:(1)光纤布拉格光栅能够较好地监测页岩表面应变变化且环向应变传递效率高于轴向;(2)光纤布拉格光栅测试结果优于十字应变花,但轴向应变变化极易受表面裂缝发育影响而导致较低传递效率;(3)光栅传递效率受光栅本身力学性质、粘贴层性质及厚度等因素影响。从试验选择的两种环氧树脂黏胶对比试验结果中可知,新型555黏胶效果更佳。     

中等应变速率对岩石力学特性的影响

要认识地震（包括人工地震和天然地震）引起的应力波在场地中的运动规律及其对各种工程的影响,就必需要地质材料的应力-应变-时间和破坏特性的资料.研究岩石物理力学特性的工作,大体上可分为:ε<10-4/sec的低应变速率范围,称为静态(ε<10-7/sec称为流变).在此范围内,应用一般的液压试验机系统,广泛地研究了岩石的力学特性;     

四川盆地长宁示范区龙马溪组页岩岩石力学特性及脆性评价

页岩的岩石力学特性对页岩气开发效果具有重要影响,因此以四川盆地长宁示范区志留系龙马溪组泥页岩层段为研究对象,分析其力学与脆性特性。采用矿物组分分析、地球物理测井分析和实验室力学实测相结合的方法,比较了龙马溪组龙一段和龙二段的脆性矿物含量、泊松比、杨氏模量、岩石脆性、三轴压力等力学特性。结果表明:龙二段比龙一段具有更高的脆性矿物含量,龙一段的泊松比明显高于龙二段,利用纵横波时差比可以反映泊松比的变化,纵横波时差关系图的斜率与泊松比具有相反的变化趋势。龙一段样品的杨氏模量低于龙二段样品,通过杨氏模量和泊松比关系图发现龙一段与龙二段发生分离,龙二段页岩段的脆性指数大于0.5,应力、应变曲线的负坡较陡。综合评价分析表明:龙二段具有较低的泊松比、纵横波时差比和较高的杨氏模量,龙一段比龙二段更易变形。因此龙二段脆性优于龙一段脆性,有利于后期的压裂改造。     

论岩石对三向压缩的响应

将Ｐｏｙｎｔｉｎｇ－Ｔｈｏｍｓｏｎ模型视为适用于岩石的本构关系,并由此推导出,以体积应力Σ和体积应变Θ表示的,岩石在三向压缩下的流变方程。就Σ·恒定、Θ·恒定、Σ恒定、Θ恒定４种情形对该方程进行论证并求解,结果是：对于前两种情形,岩石的响应属纯弹性型,而且由此推演出来的Σ—Θ关系,与经典弹性力学的结果完全一致。至于后两种情形,响应属粘弹性型,分别显示蠕变和应力松弛现象