煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系

通过超声-时间动态测试方法系统地分析了煤系沉积岩石纵波和横波速度,计算了煤系岩石动弹性力学参数,同步测试了煤系岩石的静态力学参数,建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的定性定量关系.研究结果表明,煤系岩石的动弹性模量与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系,而与泊松比不具有这种正相关关系.煤系岩石的动弹性模量要大于其静弹性模量,而动泊松比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系.煤系岩石密度、单轴抗压和抗拉强度与其纵波或横波速度之间也呈正相关关系,它们分别服从二次函数、指数函数和线性函数分布.     

岩石正交各向异性的实验观测

岩石速度各向异性由多种因素引起,如果这些因素在岩石中构成正交分布,就会出现正交各向异性.在实验室通过选择了三种不同岩性的岩石,采用超声脉冲测试方法中的横波偏振扫描方式,观测了岩石样品三个坐标方向上的横波速度变化,通过分析三个传播方向上出现横波分裂的差异,以及出现最大或最小快慢横波振幅的偏振方向发现,可从横波偏振方向和速度值判断出纹理砂岩和裂隙大理岩样品存在不同程度的速度正交各向异性和裂隙方向等特征,认为这两种岩石的正交特性的原因是岩石的层理或裂隙与岩石本身的结构(定向颗粒或结晶)构成的.实验室超声波测试可以找出正交各向异性的结构方向.     

单轴压力下岩石破裂的初步研究

用几种不同加载方式对岩石样品进行了单轴压力实验。以恒定应变率(约为10^-5)对样品加载时,岩石的破裂过程大致可分成四个阶段:孔隙压缩阶段、弹性变形阶段、体积膨胀阶段和临震阶级。后二个阶段显著的特点是岩石开始表现出非弹性的体积应变并在主破裂前急剧增大,它与微破裂累积总数二者存在着同步的变化。在重复加载时,发现岩石的微破裂过程具有不可逆的性质,这种现象似乎可以用来说明同一地区短期内发生的两次地震的地震序列的不同,指出运用历史地震资料时应注意该地区应力变化的历史情况。     

利用声发射和波速变化判定岩石损伤状态

对岩石受单轴压缩损伤过程中的声发射和超声波波速进行了同步测量,对比分析了声发射和波速随损伤过程的变化规律。研究表明,岩石损伤过程可分成几个阶段,不同阶段声发射和声波波速变化呈现不同特征;利用超声波波速的相对变化能够稳定可靠地鉴别岩石的"加载强化"与"加载弱化";声发射b值对裂隙的非稳定扩展更加敏感,可以作为岩石失稳预警参数;岩石声发射和波速都对损伤具有记忆性,重复加载下的声发射和超声波波速变化可提供更丰富的岩石损伤状态信息。     

水平单轴应力与横波反射系数

地球物理勘探中,地下应力的估测是非常重要的.本文利用应力诱导的弱各向异性的各向异性参数,借助已有的具有水平对称轴横向各向同性介质顾及高阶小量的横波反射系数近似公式,针对下介质为各向同性受单轴应力作用情况随应力的增加求取应力精度降低的问题,从横波反射系数近似公式的推导出发,联合SH波与SV波反射系数给出新的改进的单轴应力与横波反射系数的直观表达式;计算并对比了受单轴应力作用的各向同性介质的横波近似和严格的反射系数,并利用理论得到的横波反射系数对应力进行了估值.结果表明,利用改进后横波反射系数与应力的直观表达式,当应力增加时,应力估值精度有了明显的改善,这为利用横波反射数据直观估测应力提供理论依据.     

变形过程中岩石P波速度场的空间变化

在一次地震之前,在不同观测点测量岩石中弹性波速度,经常得到不同的结果.这一现象提示我们:岩石破坏前,其物理性质的变化在空间上的分布是不均匀的,破坏前兆的获得应该建立在对岩石性质的空间分布,即对物理场分析的基础上. 本实验观测了岩石样品在单轴压缩下,P波走时空间分布变化的全过程.实验表明:在岩石的破坏过程中,岩性的空间分布具有同步性变化的中长期前兆和差异性变化的短期前兆的特点.在岩石接近破坏时,岩性的变化表现出严重的不均匀性.岩石的整个破坏过程可以看成岩石的物性分布是由无序向有序的演化,即是一个熵减小的过程.      

基于单轴压缩试验的钻孔应变仪岩芯力学性质的研究

采用室内岩石力学试验方法—单轴压缩试验,对江苏省钻孔应变仪岩芯试样进行单轴压缩试验,通过应力-应变曲线特征和变形特性获取了钻孔岩芯的力学参数,定量化地了解和掌握钻孔岩芯性质;在观测资料的基础上计算面应变耦合系数,对比研究试样的单轴抗压强度和弹性模量与面应变耦合系数的关系。结果表明,弹性模量E对面应变耦合系数A有显著的影响,随着岩石弹性模量的增大,面应变耦合系数呈线性增长,二者具有很好的相关性。      

完整岩石在不同尺度上的屈服

对完整岩石力学机制的研究有助于更好地理解与屈服有关的应力-应变关系。屈服准则研究方法包括基于实验数据分析和基于微观力学的研究。屈服数学理论的研究目标是对应力和应变关系的理论描述和对弹塑性界限的识别。本文主要研究完整岩石在不同尺度上的屈服。从Weibull理论可知,岩石强度随尺度增大而减少,这已经通过单轴压缩强度（UCS）的Hoek-Brown方程得到证实。然而,围压能改变岩石强度及屈服。因此,本文利用直径为50mm和96mm的圆柱形砂岩样品在不同围压作用下的压缩实验来研究不同尺度下的岩石屈服,从实验中提取不同尺度下的屈服初始点并描述屈服面,最终给出简单数学形式的屈服准则。     

断层带破裂过程波速变化的实验观测

利用含不同方向软弱夹层的岩石模型,在单轴压缩条件下,观测了模型破裂过程的波速变化。实验设备及模型与文献相同。声波探头跨模型夹层并垂直于模型长轴布置。加压时,记录轴向应力——位移曲线并定点观测纵波走时的变化。另外同时观测了模型破裂过程中穿透声波的波形变化。主要结果为     

超深碳酸盐岩油气储层岩石弹性性质高温高压超声实验研究

面向超深碳酸盐岩油气勘探开发中储层精细地震刻画问题,研发了高温(200℃)、高压(200 MPa)岩石弹性性质超声测量系统.收集塔里木盆地9块奥陶系超深碳酸岩储层岩石样品,通过高温高压条件下超声纵、横波速度测量发现,在围压保持69.0 MPa不变的情况下,当温度从25℃上升到200℃时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着温度的升高而下降,纵波速度与体积模量最大降幅分别达到3.54%和7.54%,横波速度与剪切模量最大降幅分别达到4.57%和8.93%;在温度保持200℃不变情况下,当围压从69.0 MPa上升到137.9 MPa时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着围压的升高而升高,纵波速度与体积模量最大升幅分别达到1.78%和3.39%,横波速度与剪切模量最大升幅分别达到1.95%和5.26%.在超深碳酸盐岩油气储层环境下,温度对碳酸盐岩岩石骨架弹性性质的影响可能超过围压对岩石骨架弹性性质的影响.岩石样品温度与围压循环实验表明,干岩石弹性性质与温度以及围压的变化关系不具可逆性,碳酸盐岩岩石样品弹性模量与温度之间总体上存在线性关系,其截距与斜率由碳酸盐岩...     

单轴压缩下多裂隙含水岩样电阻率变化与体积应变

在单轴压缩下,对经过高温焙烧的含水辉长岩进行了轴向和径向电阻率变化以及体积应变的同时连续测量.结果表明,在完全饱和前的非弹性压缩阶段,电阻率随压应力增高而降低;在完全饱和的弹性压缩阶段,电阻率升高;在非弹性的体积膨胀阶段,电阻率继续上升.从Archie 公式出发,通过近似分析,导出了电阻率变化和体积应变的关系式.实验结果和近似分析定性上相附.本文的主要结果是发现含水岩样在膨胀阶段电阻率的升高,初步认为这是由于热开裂的张开,降低了饱和度的结果.      

Magnetism of rocks and volumetric strain in uniaxial failure tests

Summary The relation between remanent magnetization and volumetric strain for gabbro samples stressed in uniaxial compression inside a near zero-field -metal shield has been examined. For samples with an induced IRM parallel to the axis of compression, remanent magnetization decreased linearly up to the onset of dilatancy. As increased stress produced additional dilatancy, the variation of remanent magnetization became nonlinear, and the stress dependence continually decreased until the rock failed. Stress cycling with the peak stress augmented for each cycle produced a continuous decrease in the zero stress value of the IRM although an appreciable amount of recovery was observed during unloading. When the sample was loaded in constant stress increments after the onset of dilatancy and held for several minutes at each level, time-dependent variations in remanent magnetization coincided with time-dependent increases in inelastic volumetric strain. In general as the inelastic creep rate increases, the rate of change in remanent magnetization increases. These results suggest that dilatancy related effects of the intensity of rock magnetization should be observed in magnetic rocks in epicentral regions prior to earthquakes and may serve as both long- and short-term precursors.     

Experimental studies of He and Ar degassing during rock fracturing

We studied degassing of He and Ar from granite, basalt and volcanic tuff samples which were subjected to uniaxial compression. From the samples which were fractured in the dilatant region He was always degassed, while degassing of Ar dependent not only on the dilatancy, but also on the type of rock and the compressional conditions such as wet, room dry or vacuum conditions. It is concluded that degassing of rare gases from the compressed samples depends primarily on the generation of new surface area by dilatancy.     

水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响

选择４种地壳岩石样品,经干燥或水饱和处理后在不同围压条件下测量了在其中传播的纵、横波的速度及其各向异性．在大气压条件下低孔隙度(＜１％岩样中,水饱和样品中的纵波速度明显地比干燥样品中的高,但横波速度的差别不大．因为在低孔隙度岩样中纵波速度对孔隙流体的反应比横波速度敏感,可以用泊松比的变化来反映随着围压的增加晶粒间流体对弹性波传播特性的影响．根据实验数据,按Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ模型分别计算了干燥和水饱和岩样中的裂纹密度,与通过实测体应变曲线得到的裂纹孔隙度十分吻合．利用横波的速度和偏振特性可以推断岩样中定向排列微裂纹的空间取向情况．研究表明,同时测量在岩样中传播的纵、横波的速度,通过Ｖｐ／Ｖｓ比值可以给出有关颗粒边界流体的证据,也可以估计岩样中的裂纹密度．     

气饱和孔洞型介质动静参数关系的数值模拟研究

采用实验手段研究岩石的动、静弹性参数的变化规律及动、静态参数间的相互关系时存在着测试成本高,工作量大,普适性差且可靠性较低等问题.对岩样在单轴压缩加载条件下的破坏过程,采用岩石破裂过程分析RFPA系统进行数值模拟,获取岩样的应力—应变曲线可计算得到静态弹性参数.从弹性波动理论出发,采用交错网格有限差分方法,对超声波透射实验进行数值模拟,获取纵、横波速度可计算得到动态弹性参数.对50块不同的气饱和孔洞型岩样同步计算其动、静态弹性参数,并分析动、静态弹性参数随孔隙度的变化规律及动、静态弹性参数间的关系.结果表明:动弹性模量大于静弹性模量,且二者之间的线性关系良好,而动、静泊松比之间不存在明显的相关关系.该项研究为动、静弹性参数关系研究提供了新的方法,研究结果对于指导储层预测、油气检测以及地震资料综合解释都有重要的意义.     

The Effect of Varying Damage History in Crystalline Rocks on the P- and S-Wave Velocity under Hydrostatic Confining Pressure

Cracks play a very important role in many geotechnical issues and in a number of processes in the Earth’s crust. Elastic waves can be used as a remote sensing tool for determining crack density. The effect of varying crack density in crystalline rock on the P- and S-wave velocity and dynamic elastic properties under confining pressure has been quantified. The evolution of P- and S-wave velocity were monitored as a suite of dry Westerly granite samples were taken to 60, 70, 80 and 90 % of the unconfined uniaxial strength of the sample. The damaged samples were then subjected to hydrostatic confining pressure from 2 MPa to 200 MPa to quantify the effect of varying crack density on the P- and S-wave velocity and elastic properties under confining pressure. The opening and propagation of microcracks predominantly parallel to the loading direction during uniaxial loading caused a 0.5 and 6.3 % decrease in the P- and S-wave velocity, respectively. During hydrostatic loading, microcracks are closed at 130 MPa confining pressure. At lower pressures the amount of crack damage in the samples has a small but measureable effect. We observed a systematic 6 and 4 % reduction in P- and S-wave velocity, respectively, due to an increase in the fracture density at 2 MPa confining pressure. The overall reduction in the P- and S-wave velocity decreased to 2 and 1 %, respectively, at 50 MPa. The elastic wave velocities of samples that have a greater amount of microcrack damage are more sensitive to pressure. Effective medium modelling was used to invert elastic wave velocities and infer crack density evolution. Comparing the crack density results with experimental data on Westerly granite samples shows that the effective medium modelling used gave interpretable and reasonable results. Changes in crack density can be interpreted as closure or opening of cracks and crack growth.     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

地壳岩石剪切失稳的应力与应变准则

本文建立了岩石体膨胀起点与峰值点之间应力与应变关系的解析表达式,分别给出了其剪切失稳应力与应变准则.考虑到地壳岩石缓慢加载作用使其均匀性指标的减小效应,本文也分别给出了简化的适用于脆性破坏预测的应力与应变准则.实例表明该应变准则可用于崩塌与强震等脆性破坏问题的预测分析.     

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律

理论分析了煤岩变形破坏过程中电磁辐射脉冲数与损伤之间的关系,探讨了煤岩变形破坏电磁辐射产生机制及电磁辐射记忆效应的力电耦合规律,建立了等围压三轴应力状态下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合模型,实验测定并分析了单轴压缩状况下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律.结果表明,含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型很好地反映了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应特征规律和微观损伤机理.     

受载煤体变形破裂微波辐射前兆规律的实验研究

对煤体在单轴压缩条件下的微波辐射效应和规律进行了实验研究.实验结果表明,受载煤体具有微波辐射效应,在煤体的变形破裂过程中伴随有6.6 GHz微波辐射信号产生,其前兆规律具有3种类型.基于电介质物理学对实验现象进行了解释.在单轴压缩实验中,煤体的亮温最大变化值为1.9～2.7K,这表明煤体的微波辐射特性明显优于红外辐射特...