不同围压下砂岩的变形力学特性与损伤机制

开展不同围压下砂岩的强度、变形和损伤演化研究,对岩体工程的结构设计和稳定性评价具有重要意义。对赵固一矿二1煤层顶板砂岩进行试验获得其力学参数,并采用颗粒流程序获得砂岩细观力学参数,结合编制的fish语言程序进行试验,研究砂岩在不同围压的强度、变形和损伤演化机制,得到如下结论:随着围压增加砂岩的屈服段变长,围压小于40 MPa时峰值强度随围压变化敏感,大于40 MPa时敏感性降低,随着围压增加砂岩由脆性破坏逐步转变为延性破坏;砂岩的扩容经历线性体缩、线性扩容和非线性扩容3个阶段,围压增大线性扩容阶段缩短而非线性扩容阶段增加,扩容指数和扩容起始点轴向应变与围压存在指数变化规律;砂岩的损伤破坏经历损伤弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和主控破裂面形成4个阶段,低围压下砂岩沿单一主控破裂面发生压剪破坏,高围压下主控破裂面呈X型交叉破坏岩体,为X型共轭斜面剪切破坏形式。     

A Strain Rate Dependent Constitutive Model for the Lower Silurian Longmaxi Formation Shale in the Fuling Gas Field of the Sichuan Basin,China

Shale, as a kind of brittle rock, often exhibits different nonlinear stress-strain behavior, failure and time-dependent behavior under different strain rates. To capture these features, this work conducted triaxial compression tests under axial strain rates ranging from 5×10?6 s?1 to 1×10?3 s?1. The results show that both elastic modulus and peak strength have a positive correlation relationship with strain rates. These strain rate-dependent mechanical behaviors of shale are originated from damage growth, which is described by a damage parameter. When axial strain is the same, the damage parameter is positively correlated with strain rate. When strain rate is the same, with an increase of axial strain, the damage parameter decreases firstly from an initial value (about 0.1 to 0.2), soon reaches its minimum (about 0.1), and then increases to an asymptotic value of 0.8. Based on the experimental results, taking yield stress as the cut-off point and considering damage variable evolution, a new measure of micro-mechanical strength is proposed. Based on the Lemaitre’s equivalent strain assumption and the new measure of micro-mechanical strength, a statistical strain-rate dependent damage constitutive model for shale that couples physically meaningful model parameters was established. Numerical back-calculations of these triaxial compression tests results demonstrate the ability of the model to reproduce the primary features of the strain rate dependent mechanical behavior of shale.     

四川盆地焦石坝区块深部页岩力学特性试验研究

为深入研究不同埋深页岩储层的力学性质,对四川盆地焦石坝区块五峰-龙马溪组平行层理取心试样进行单轴压缩试验,总结了取样区段页岩试样的力学特性、强度规律以及破坏特征。实验及分析结果表明:该区块页岩呈现典型的脆性破坏特征,破坏形式以劈裂破坏为主、伴随部分或局部剪切破坏,并细分5种单轴压缩条件下的基本破坏形式;页岩抗压强度随埋深增加整体上呈现出两端低中间高的现象;随取心角度的增大,变形参数和抗压强度总体上均呈现出先增大后减小的趋势;对比分析了页岩试样力学参数的横向和纵向异性度,弹性模量和泊松比的横向及纵向异性度均在1.50附近,抗压强度的异性度显著高于弹性模量和泊松比的异性度;层理的影响是导致页岩强度及破坏方式差异性的主要原因之一,层理面在一定程度可以决定岩体的强度及破坏方式;水力压裂过程中,横向异性度大的层理面首先被打开,导致压裂通道沿层理面扩展,难以形成复杂裂缝网络,达不到理想的压裂效果,在施工过程中要避免此类层理面被打开。     

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。     

三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征研究

含气页岩受力后裂隙扩展分布方式与矿物之间的关系研究对页岩气勘探开采具有重要指示意义,但受制于前期仪器设备水平的不足,目前相关研究较少。本文以四川盆地志留纪龙马溪组页岩为例,分别选择三轴压缩试验前后的天然样和压缩样进行氩离子抛光,借助高性能场扫描电镜和能谱仪进行矿物晶体和微纳尺度的裂纹观察（分别设定扫描电镜像素大小10 nm和1 μm,观察面积设为1 mm）,结合空间统计分析技术,进行三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征及其与矿物组成的相关关系进行分析研究。研究表明,三轴压缩试验前后,样品内微纳尺度裂隙的空间分布均符合幂律分布,具有一定的自仿射性和层次结构性。但是不同矿物（石英、长石、碳酸盐、黏土等）在受压前后产生的微观裂隙分布特征值（D、logC）变化方式存在显著差异,反映了不同矿物的力学响应特征和机制的不同以及不同矿物对页岩压裂造缝的贡献作用的不同。脆性矿物中的长石、碳酸盐矿物组成以及脆性矿物与黏土矿物的相互作用可能对页岩缝网改造中起着较为重要的作用。不同矿物压缩前后的破坏模式总体存在从张性破坏到剪性破坏的转变过程,然而不同矿物类型在压缩前后裂隙展布形态特征及力学机制有很大不同,特别是碳酸盐类和黏土类矿物变化最为显著,容易形成较复杂的缝网,并存在复杂应力状态主导的多种不同力学机制裂纹共存的现象,在研究时需要考虑页岩复杂矿物构成和结构导致的破裂过程的不确定性等因素。     

不同浓度、pH值SDBS压裂液对页岩储层特性影响研究

在页岩储层压裂过程中,不同浓度、不同pH值的SDBS压裂液体系会直接影响页岩储层稳定性,进而影响造缝性能。通过实验分析了页岩储层在不同浓度、pH值的SDBS压裂液作用下的膨胀抑制性、润湿反转性能。实验结果表明：0.02%SDBS压裂液下页岩储层的膨胀变形最小、膨胀变形速率最慢,即膨胀抑制效果最好;0.03%SDBS压裂液下页岩的润湿性改造最好,接触角为30 °。pH值为8的SDBS压裂液对炭质页岩的膨胀变形和膨胀速率起到了最佳的抑制作用;pH值为9的SDBS压裂液对炭质页岩的润湿反转起到了最好的效果,接触角为31.6°。综合分析认为不同浓度、不同pH值的SDBS压裂液对页岩储层特性影响差异较大,说明在对页岩储层的开发利用中,调整SDBS浓度和pH值对提高页岩气开采效果是可行的。     

冻融温变速率对岩石受载特性的影响规律

以贺兰山岩画、云冈石窟等中常见的硅质胶结砂岩为研究对象,对不同温变速率冻融后岩样进行称重、超声波测试和单轴压缩试验,探究了冻融后岩石物理力学性质随冻融温变速率的变化规律;根据冻融后岩石受载过程中的声发射和微震特征,揭示了温变速率对冻融后岩石内部不同尺度裂纹扩展的影响规律及其内在机制。研究表明：（1）随着温变速率增加,岩样冻融后的微裂纹增多,颗粒间联结强度减弱,峰值强度、弹性模量降低,破坏应变及损伤参量D_e、D_v增大;（2）冻融岩石受载过程中,微裂纹具有“初始压密―扩展孕育―急速扩展”的演化特征,宏观裂纹演化过程可分为“匀速扩展－急速扩展”两个阶段,其中宏观裂纹的急速扩展阶段还呈现出“孕育－扩展－再孕育－再扩展”的波浪式发展特点;温变速率越大,冻融后岩石受载过程中的微裂纹、宏观裂纹扩展越快,且更易于进入急速扩展阶段;当温变速率增大到一定数值后,微裂纹、宏观裂纹从加载开始即以较高速率扩展,直至岩样破坏;（3）微裂纹孕育阶段和加载全过程的声发射振铃相对增长速率,以及宏观裂纹匀速扩展阶段的相对时长、微震振铃相对增长速率均与损伤参量D_e、D_v具有较好的拟合关系,能够反映冻融循环对岩石的初始损伤作用;（4）冻胀力随温变速率增加而增大,导致不同温变速率冻融后岩样的初始损伤不同,这是引起冻融后岩石受载过程中裂纹扩展、声震特性出现显著差异的内在原因。     

不同围压下板岩三轴压缩过程能量及损伤分析

根据不同围压下板岩三轴试验的结果,研究不同围压下板岩的能量变化规律和损伤分析。研究结果表明,不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同,弹性应变能先增加后减小,耗散能加载初期几乎为零,进入屈服段急剧增加。根据弹性应变能与总吸收能之比将岩石压缩过程中裂隙发展划分为3个阶段：裂隙稳定发展阶段、裂隙加速发展阶段和裂隙贯通阶段。岩样破坏后总吸收能、耗散能与围压的关系表明,从开始加载到屈服段,畸变比能和体变比能之和U^e'大体等于弹性应变能U^e;从屈服段到峰值强度,U^e'小于U^e且差值越来越大。从能量角度定义损伤变量,认为：低围压状态对应较低的耗散能、较高的损伤值;高围压状态对应较高的耗散能、较低的损伤值。     

流固耦合作用下页岩破裂过程的数值模拟

为探究流固耦合作用下页岩的破裂过程和声发射特征,利用RFPA^2D-Flow数值软件分别对黔北地区牛蹄塘组不同层理倾角页岩进行流固耦合数值模拟。研究表明：由于层理结构的影响,页岩抗压强度和弹性模量均表现出明显的各向异性。页岩的破裂过程可分为弹性、屈服和破坏3个阶段,随着层理倾角的变化,页岩最终表现出3种破坏模式,分别为斜I型、V型和火焰型。层理倾角不同的页岩,其破裂过程中的声发射信号演化规律不同。对低层理倾角（0°、15°、30°）的试样,累计AE曲线表现为“平缓—线性—台阶—平缓”的变化规律;高层理倾角（60°、75°、90°）试样的累计AE曲线呈现“平缓—线性—陡增”的变化规律;当α=45°时,累计AE曲线表现为“平缓—线性—激增—平缓—激增”的变化规律,且其AE计数出现两个峰值。     

三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究

对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

双向加载煤岩变形与声发射特性颗粒流研究

为了明确煤岩双向应力状态下的强度和损伤特性,通过煤岩的单轴试验测得其力学参数,然后利用颗粒流和fish程序结合试验结果获得煤岩细观力学参数,进行了煤岩双向加载下的强度、变形和损伤声发射特征的研究。获得以下主要结论:双向加载煤岩变形破坏过程中,中间主应力对屈服阶段影响最显著,而对峰后软化阶段基本没有影响,这与三向加载下围压对峰后软化阶段的影响不同,从而表明双向加载条件下煤岩峰后基本不存在脆性-延性转化的特征。双向加载下煤岩的体变经历线性体缩、非线性扩容和线性扩容阶段,中间主应力对非线性扩容阶段影响显著,而对其他两个阶段基本没有影响。煤岩损伤破坏过程中,在弹性阶段声发射呈线性增加趋势但增速较小,屈服阶段声发射进入非线性快速增加阶段,在峰值附近增速最快,峰后初期达到最大强度,随后声发射强度急剧减小。声发射最大强度有一定的滞后效应,随着中间主应力的增大,最大声发射强度的滞后效应相对减弱,且随着中间主应力的增大,声发射最大强度持续时间段明显延长。     

页岩气勘探开发关键技术综述

在当前国际能源供需矛盾日益突出的形势下,页岩气资源勘探开发备受世界瞩目。页岩气是一种超低渗透非常规天然气,在页岩气勘探开发中有许多关键技术。介绍了页岩气勘探开发中的相关关键技术,包括密闭取心和保压密闭取心技术、水平井技术和压裂技术,并提出了发展我国页岩气勘探开发相关技术的建议。     

受载含瓦斯原煤解吸规律实验研究

依托自行研发的含瓦斯煤热–流–固–力耦合吸附/解吸实验系统,测定了不同围压和孔隙压力组合条件下,煤样加载破坏过程中不同加载阶段的瓦斯解吸量,并对实验数据进行了拟合,分析了轴压、围压和孔隙压力对含瓦斯原煤解吸规律的影响。结果表明：在煤样整个加载破坏过程中,受载原煤瓦斯解吸量呈现先减小后增加的“V”型变化趋势,且最小出现在屈服强度阶段,最大出现在脆性破坏阶段;受载原煤瓦斯解吸量随围压的增大而减小,随吸附平衡压力的增大而增大。     

不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究

随着页岩气开采、废水回注和CO₂地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明：(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储...     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

Dominant micro-cracking direction and anisotropic property of rocks under uniaxial compression

To explore the relationship between the dominant direction of micro-cracks and the anisotropy, this research focuses on the micro-crack initiation and propagation mechanism and the anisotropic parameters evolution in the rock under uniaxial compression. Based on the maximum circumferential stress theory and the assumption of shear slip leading to the local tensile stress, the micro-crack initiation and propagation model is established, and the anisotropic parameters of rock is further explored. To verify the theory, the marble limestone, granite porphyry and granite are selected to conduct uniaxial compression experiment. It is indicated that the experimental results of elastic moduli and Poisson’s ratio are well consistent with theoretical analysis. Finally, the relationship between the dominant direction of original and secondary micro-cracks and the effect of the micro-cracks’ dominant direction on practical engineering are discussed. The results show that the dominant direction of micro-cracks is parallel to the maximum principal stress under uniaxial compression, which leads to the anisotropy of rock. With the increase of stress, the axial and transverse elastic moduli would decrease, while the extent of the decrease of axial elastic modulus is larger. The axial Poisson’s ratio would increase and the transverse Poisson’s ratio will decrease. Moreover, the Poisson’s ratio is more sensitive to the anisotropy caused by the dominant direction of micro-cracks.     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先埘破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α埘岩石的应应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σed、峰值强度矿σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表嘶裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,顶制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂办式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩休的轴向应力-横向应变向应变典线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

渝东北地区WX2井页岩气赋存特征及其勘探指示意义

为了深入研究渝东北地区龙马溪组页岩气赋存特征,该文以WX2井页岩高温高压等温吸附及覆压孔隙度实验数据为 基础,通过误差最小原则挑选了适合研究区的吸附模型,并基于孔隙度随有效应力变化关系建立游离气模型,综合分析了 吸附气、游离气及总含气随埋藏深度的变化特征。研究结果表明：WX2井页岩不同温度下过剩吸附量随着压力增大,均呈 现先增大后减小的趋势,随着温度的升高,最大吸附量逐渐减小,而校正后的绝对吸附量随压力增加,先迅速增大后增速 放缓,且用D-A模型拟合绝对吸附量数据平均误差最小,基本可以反应研究区页岩真实吸附过程。页岩样品在加压过程中 孔隙及微裂隙会逐渐闭合,卸压时绝大部分会重新打开,存在部分塑性变形造成的不可逆损伤,但不可逆损伤所占比重较 轻。不同方向样品孔隙度与有效应力之间具有负指数关系,富含层理页岩平行样品较垂直样品具有更大的初始孔隙度以及 更强的孔隙应力敏感性。页岩气赋存特征综合受控于储集层特征、吸附能力、温度及压力等因素,其中温度对吸附气和游 离气含量为负效应,储层压力为正效应;吸附气、游离气及总含气量均遵循先增大后减小的总体趋势,其中吸附气及游离 气含量分别主要受控于温度及储层压力。此外,临界深度上下,页岩吸附态与游离态相对含量发生变化,其对页岩气富集 评价具有重要意义。     

An experimental study on deformation and failure mechanical behavior of granite containing a single fissure under different confining pressures

Fissures in natural rocks play an important role in determining the strength, deformability and failure behavior of rock mass. However in the past, triaxial compression experiments have rarely been conducted for rock materials containing three-dimensional (3-D) fissures and the failure mechanical behavior of fissured rocks is not well known due to the difficulty of conducting triaxial experiments on fissured rocks. Therefore in this research, conventional triaxial compression experiments were performed to study the strength, deformability and failure behavior of granite specimens with one preexisting open fissure. Thirty-one specimens were prepared to perform conventional triaxial compression tests for intact and fissured granite. First, based on the experimental results, the effects of the confining pressure and the fissure angle on the elastic modulus and the peak axial strain of granite specimens are analyzed. Second, the influence of the confining pressure on the crack damage threshold and the peak strength of granite with respect to various fissure angles are evaluated. For the same fissure angle, the crack damage threshold and the peak strength of granite both increase with the confining pressure, which is in good agreement with the linear Mohr–Coulomb criterion. With increasing fissure angle, the cohesion of granite first increases and later decreases, but the internal friction angle is not obviously dependent on the fissure angle. Third, nine crack types are identified to analyze the failure characteristics of granite specimens containing a single fissure under conventional triaxial compression. Finally, a series of X-ray microcomputed tomography (CT) observations were conducted to analyze the internal damage mechanism of granite specimens with respect to various fissure angles. Reconstructed 3-D CT images indicate obvious effects of confining pressure and fissure angle on the crack system of granite specimens. The study helps to elucidate the fundamental nature of rock failure under conventional triaxial compression.