围压条件下岩石的抗拉强度

用水压致裂法对7种岩石的厚壁圆筒试件进行不同围压下的抗拉强度实验,并从试件致裂瞬间的内壁环向应力σt,环向应变εt等五种参数随围压变化的角度,对围压条件下岩石的抗拉强度进行研究。结果表明,若用σt表示岩石的应力抗拉强度,则σt随围压的增加而减少,并由低围压时的拉应力逐渐过渡为高围压时的压应力。高围压时,虽然试件已处于三向受压状态,但其破裂仍表现为典型的张性破裂。从另一意义上讲,处于高围压环境中的岩石,其内部不可能存在拉应力,拉应力只在低围压状态中存在。若岩石的应变抗拉强度由εt表示,即使岩石三向受压,张性破裂的εt始终是拉应变,岩石的抗拉强度由应变来表征似乎更合理。εt先随围压的增大而增大,当围压超过某一特征值后,εt反随围压的增大而有所减少。 将上述结果应用于岩体(或地震)破裂,可以证明,当岩体内存在σ_3<μ(σ_1+σ_2)的应力状态时,即使三向受压,岩体照样会出现张性破裂。由此认为,地震的震源也存在着张性破裂的可能。     

应力途径对岩石脆性-延性变化的影响

用两种加载方式对岩石的破裂进行了实验研究。一种方式是在一定的围压下增加轴压使岩石破裂（A型）;另一种方式是在一定围压下增加轴压直到破裂前某一应力状态,然后停止加轴压转而减小围压使岩石破裂（B型）。所用的岩石样品为济南辉长岩和山东掖县白大理岩。着重研究应力途径对岩石脆性-延性变化的影响。辉长岩在1.5千巴以下两种应力途径下的破裂都表现为脆性,但是对于同样的应力状态,B型实验比A型实验显得更脆。随着围压增加到200-250巴之间,大理岩由脆性转变为延性。围压250巴以上,大理岩的A型实验发生延性破裂。样品承受载荷的能力是逐渐丧失的。破裂过程中声发射率极低,听不到破裂声响。最后在样品中形成了剪切断面,但破裂很慢。然而,在大理岩的B型实验中,围压在250巴以上发生了脆性破裂,其表现为轴向应力突然下降,伴随着脆性破裂的声响并有声发射率剧增的前兆。看来,B型应力途径对岩石起了一个脆化的作用。     

室内岩石水压致裂三轴试验研究

水库蓄水为什么会诱发地震,至今人们的认识不尽一致,原因是多方面而且是十分复杂。但无论哪种诱发机制理论,水的作用都被列为重要因素。从岩石力学观点看,水的作用不仅使岩体(或断裂带)的性质发生“软化”,而且随着孔隙压力的增加使基岩的应力状态发生变化,从而改变了岩石的强度和变形特性。作者1981年发表的论文中对“软化”问题已作了论述,本文主要探讨孔隙压力的影响。试验采用新丰江水库主要断裂带区的花岗岩30块试件,分成烘干和饱和两组,在不同围压和轴压力作用下,通过中间孔注液产生孔隙压力,使岩样破裂,简称为“水压致裂三轴试验法”。这种试验测量其致裂强度特性,变形特性及破裂模式等一系列参数,为水库地震诱发机制的研究提供一个方面的判据。     

岩石失稳破裂前激发极化效应的初步研究

本文介绍了在压应力作用下观测岩石失稳破裂前激发极化效应的实验方法和主要结果。重点研究了沉积砂岩、矿化灰岩和部分橄榄岩的激发极化特征及其变化规律,讨论了岩石的脆柔性质与破裂前兆的关系。实验结果表明:(1)在压应力作用下,岩石的激发极化效应十分明显,规律性强,变化幅度大;(2)随着压应力的增大,极化率出现以下降为主的有规律性的变化,其幅度可达百分之几到百分之几十;(3)普遍记录到了岩石失稳破裂前的极化率前兆特征——加速下降和急剧上升,其变化形态与岩石的脆柔性质有关。最后,本文对岩石激发极化压应力效应的机理及其在地震预报研究中的应用作了初步探讨。     

岩石红外辐射温度随岩石应力变化的规律和特征以及与声发射率的关系

在实验室对不同岩性不同结构的岩石试件进行单轴加载至试件破裂试验，得出了如下主要结果：（１）岩石试件的红外辐射温度随应力增加而变化，温度变化的范围在０．２℃－０．８℃。（２）岩石试件临破裂前出现明显的岩石破裂温度前兆。（３）有一部分岩石试件临破裂前出现高温条带、高温区或低温条带、低温区。不久，试件沿高温条带、区或低温条带、区发生主破裂。（４）有一部分岩石试件在临破裂前出现温度脉冲，正脉冲达到２．８℃，负脉冲达到－１．０℃。（５）当应力增加时，岩石试件的辐射温度增加与声发射率增加呈互补关系。     

剪切破裂与粘滑——浅源强震发震机制的研究

周口店花岗闪长岩的高温高压三轴实验和理论分析表明,剪切破裂和摩擦滑移具有类似的孕育过程和发生机制。剪切破裂贯通强度就是一种摩擦强度。剪切破裂和摩擦滑移各自都有渐进式和突发式之分。突发式摩擦滑移是已有断层的粘滑滑移。突发式剪切破裂则是完整岩石的初始粘滑滑移。考虑到地壳温度随深度增加,完整岩石剪裂强震要求较高的围压,因此,多数浅源强震的发震方式很可能是已有断层的粘滑     

岩石破裂声发射m值和岩石力学性质

实验测定了多种岩石在破裂应力的50％时杨氏模量E和声发射的m值。结果表明:m值和E有很好的线性关系m=1.39+1.44E×10~(-11)P_a~(-1)。同时观测数种岩石破裂孕育过程中的E和m值。结果表明:在加载初期,E和m值都较低。随着压力增加,E和m值也增加。在破裂应力的35％至75％时,E和m值大致平稳。破裂前,岩石应力—应变曲线的斜率E和声发射的m值均明显下降。但E值下降滞后于m值。建议利用m值评定场地岩石力学性质及其稳定性。     

岩石的共轭剪裂角与围压大小关系的探讨

在讨论岩石共轭剪裂角大小及其与围压大小关系的基础上,提出了以椭圆曲线近似代替岩石剪切破裂极限应力莫尔圆包络线;以椭圆短轴位置作为岩石脆性状态和韧性状态的界线,推导一组用共轭剪裂角求应力值的计算公式.通过与佩特森,卡门的岩石力学实验曲线相比较,证实椭圆曲线和有关公式可以半定量到定量地估算岩石发生剪切破裂时的瞬时极限应力值.     

滇西地震实验场岩石的摩擦滑动实验研究(英文)

应用双剪法对滇西地震实验场岩石的摩擦滑动特性进行了研究。实验的岩石有花岗岩、玄武岩、正长岩和片麻岩。实验的正应力为10—40MPa。实验表明,花岗岩、玄武岩和正长岩三种岩石,当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时发生粘滑。稳滑与粘滑过程均出现位移强化现象。片麻岩当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时样品未滑动而发生破裂。摩擦强度值比Byerlee定律的值稍低。与济南辉长岩相比,滇西三种岩石粘滑发生时的平均应力降较低,平均错距较小,平均重复周期较短。花岗岩粘滑前声发射率明显增加,玄武岩与正长岩粘滑前声发射率变化不明显。     

储层岩石应力裂缝演化的逐级连通模型及意义

以温压组合条件模拟地层埋深状态,对16块储层砂岩进行了三轴压缩试验,并对试件中不同尺度的应力裂缝(stress-induced cracks)进行了宏、微观相结合的研究,观察统计了裂缝的长度、方向、密度等几何参数的变化.结果表明:应力裂缝的形态特征与岩石变形时的温、压组合条件之间存在着相关关系;当外加载荷不超过岩石抗压强度的50%时,数量有限的微裂缝都是尺度与岩石颗粒相当的粒内或粒间裂缝;穿粒裂缝仅出现在80%峰值应力以上的应力区间中,且主要由粒内裂缝连通形成,随着穿粒裂缝尺度的增大,裂面与σ_1方向夹角在统计分布上有增大趋势,并逐级趋于未来的宏观破裂角;65℃、75 MPa 以上的温、压组合条件下,试件中最终形成的宏观裂面上皆以反阶步为特征.基于以上结果,本文建立了微裂缝演化的逐级连通模型,为复杂的构造应力裂缝预测工作,提供了一条新的思路.     

大理石板中心受压时的破裂形式及破裂传播速度的实验研究

本文叙述大理石板中心受压时的破裂形式及破裂传播速度:1.主破裂走向与大理石纹理多数成45°角,少数近似平行,破裂时总是一侧先断通;破裂前存在剪应变,主破裂方向不一定与最弱张裂面一致;2.1gV—L图表明:始发段,刚出现裂纹时,V较大(约10毫米/秒),随L增大,V急剧减小(约0.05毫米/秒);缓裂段,随L增大,V起伏式缓慢增长(0.1—2毫米/秒);速裂段,过一明显转折点后,随L增大,V急剧增长(约1米/秒),破裂发生     

沁水盆地南部煤层气储层压裂过程数值模拟研究

储层改造是煤层气井提高产能的重要措施,水力压裂是煤层气储层改造的重要方法.为研究煤层气储层压裂过程及其天然裂缝对煤储层压裂时破裂压力的影响,本文以山西沁水盆地南部高煤级煤矿区为研究区,运用有限元数值模拟方法,计算不同地应力条件下、裂缝处于不同位置时煤储层的破裂压力.结果表明:(1)不同类型地应力场对破裂压力的影响不同.对于均匀应力场,破裂压力随着围压的增大而增大,其增幅约为围压的两倍;对于非均匀应力场,当一个水平主应力不变时,破裂压力会随着水平主应力差的增加而减少;(2)如果地应力条件不变,煤储层破裂压力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增加,水平主应力差越大煤储层破裂压力增幅也越大;(3)在有天然裂隙的地层中进行压裂,当天然裂缝的方位不同时压裂裂缝既可能是沿着天然裂缝扩展的裂缝,也可能是压裂过程中产生的新裂缝,因此天然裂缝的方位对破裂压力具有一定的影响.     

基于唐山7.8级地震探讨动态应力作用

运用三维非线性动态有限元方法(Non-linear Dynamic FEM)仿真模拟研究了菱形模型的动态应力作用,分析了1976年唐山7.8级地震.结果表明:(1)唐山地震前增强的中强地震产生的冲击力形成的应力波反射后发生半波损失, 成为动态的拉伸应力,通过减小内摩擦而引起岩石产生裂纹、局部破裂并发生串通,一方面触发地震,另一方面为孕育唐山地震积累能量,表现为正反馈过程.(2)唐山地震产生的冲击力加卸载存在时间差,造成加卸载冲击波相位不同,结果产生的动应力和围压叠加致使围压波动和下降,导致抗剪切强度降低,使初始破裂分别向北东、西南方向传播.(3)冲击力的卸载,相对于产生拉伸性的应力波,反射后发生半波损失,成为动态的压缩应力,致使围压增大并导致破裂停止;而动态应力在传播过程中衰减.因此,余震的发生是一个负反馈过程.     

Natural hydraulic cracking: numerical model and sensitivity study

Natural hydrofracturing caused by overpressure plays an important role in geopressure evolution and hydrocarbon migration in petroliferous basins. Its mechanism is quite well understood in the case of artificial hydraulic fracturing triggered by high-pressure fluid injection in a well. This is not so for natural hydraulic fracturing which is assumed to initiate as micro-cracks with large influence on the permeability of the medium. The mechanism of natural hydraulic cracking, triggered by increasing pore pressure during geological periods, is studied using a fracturing model coupled to the physical processes occurring during basin evolution. In this model, the hydraulic cracking threshold is assumed to lie between the classical failure limit and the beginning of dilatancy. Fluid pressure evolution is calculated iteratively in order to allow dynamic adjustment of permeability so that the fracturing limit is always preserved. The increase of permeability is interpreted on the basis of equivalent fractures. It is found that fracturing is very efficient to keep a stress level at the rock’s hydraulic cracking limit: a fracture permeability one order of magnitude larger than the intrinsic permeability of the rock would be enough. Observations reported from actual basins and model results strongly suggest that natural hydraulic cracking occurs continuously to keep the pressure at the fracturing limit under relaxed stress conditions.     

Flow and fracture maps for basaltic rock deformation at high temperatures

Understanding how the strength of basaltic rock varies with the extrinsic conditions of stress state, pressure and temperature, and the intrinsic rock physical properties is fundamental to understanding the dynamics of volcanic systems. In particular it is essential to understand how rock strength at high temperatures is limited by fracture. We have collated and analysed laboratory data for basaltic rocks from over 500 rock deformation experiments and plotted these on principal stress failure maps. We have fitted an empirical flow law (Norton’s law) and a theoretical fracture criterion to these data. The principal stress failure map is a graphical representation of ductile and brittle experimental data together with flow and fracture envelopes under varying strain rate, temperature and pressure. We have used these maps to re-interpret the ductile–brittle transition in basaltic rocks at high temperatures and show, conceptually, how these failure maps can be applied to volcanic systems, using lava flows as an example.     

三向受压状态下地壳岩体的张性变形和张性破裂

本文叙述了处于三向受压状态的地壳岩体产生张性变形和张性破裂的原理,并以珠江三角洲地区为例说明:①岩体内应力集中点的浅部,可产生张性变形和张性破裂;②地质考察所观察到的张性或张剪性断裂,其断裂面上作用的正应力未必是拉应力,极有可能是压应力,但却一定是拉应变;③张性破裂引起的地震,震级较小,一般在4.5级以下,④地震引起的张性地裂缝的走向,就是震源应力场的主压应力方向。     

Numerical evaluation of the effect of fracture network connectivity in naturally fractured shale based on FSD model

In this paper, the effect of pre-existing discrete fracture network (DFN) connectivity on hydraulic fracturing is numerically investigated in a rock mass subjected to in-situ stress. The simulation results show that DFN connectivity has a significant influence on the hydraulic fracture (HF) & DFN interaction and hydraulic fracturing effectiveness, which can be characterized by the total interaction area, stimulated DFN length, stimulated HF length, leak-off ratio, and stimulated total length. In addition, even at the same fluid injection rate, simulation models exhibit different responses that are strongly affected by the DFN connectivity. At a low injection rate, total interaction area decreases with increasing DFN connectivity; at a high injection rate, total interaction area increases with the increase of DFN connectivity. However, for any injection rate, the stimulated DFN length increases and stimulated HF length decreases with the increase of connectivity. Generally, this work shows that the DFN connectivity plays a crucial role in the interaction between hydraulic fractures, the pre-existing natural fractures and hydraulic fracturing effectiveness; in return, these three factors affect treating pressure, created microseismicity and corresponding stimulated volume. This work strongly relates to the production technology and the evaluation of hydraulic fracturing effectiveness. It is helpful for the optimization of hydraulic fracturing simulations in naturally fractured formations.     

水压致裂试验过程中的地电效应研究

本文总结了在水压致裂试验现场多台电法仪器测量和记录到的加压过程中的地电效应,并得到一些能反映岩石破裂情况的有意义的结果:（1）随着压力增加,电阻率明显上升.当压力超过岩石临界应力的一半以后,电阻率即很快地下降,卸压后又逐步回升,其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的;（2）以压力孔为中心的自然电位及ZK2,ZK14孔的井下电位都伴随着加压过程而变化,强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性.      

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.     

组合坚固体应变扰动及波速异常的破裂前兆特征研究

研究了高、低强度3段拼合岩石样品在单轴压缩和双轴单面直接剪切时的破裂特征及突发应变扰动与波速异常的破裂前兆。从分别置于高、低强度段上的应变变化看,在整个样品破裂前,低强度段(弱岩)先出现突发扰动,高强度段(强岩)后出现突发扰动。从分别穿过高、低强度段上的波速变化看,低强度段波速先出现下降,高强度段后出现下降。主破裂后明显的裂缝贯穿整个拼合岩样。进而讨论了坚固体孕震模式(主破裂前)的突发性应变前兆与波速异常的时空特征。