板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究

通过偏光显微镜、电子扫描电镜、粉晶X射线衍射,测定板岩泡水过程中吸水率、润湿角的变化,不同浸泡时间下的矿物颗粒微观结构、孔隙度的变化,并通过三轴压缩实验,研究了板岩泡水后发生软化的过程与机理。研究表明：板岩在浸泡后吸水率受板岩内层理面的产状、密度等参数的影响而改变,随着泡水时间的增加,吸水率在最初两天内变化较大,后期变化不太明显;板岩内部矿物颗粒在浸泡过程中产生体积膨胀,胶结变得松散,颗粒膨胀的时间稍滞后于吸水率的变化过程;三轴压缩实验结果显示,板岩浸泡后发生软化,峰值抗压强度随着吸水率增加按负对数规律降低;微观结构分析及润湿角的降低趋势表明,随浸泡时间延长,矿物颗粒之间的毛细管力、表面张力降低,使得板岩内部黏结力降低,宏观上则体现为岩石发生软化;在垂直于层理面方向更易发生体积膨胀,因此岩石在浸泡后更易沿着层理面产生破坏。     

荆门石膏矿岩遇水软化力学特性试验研究

针对荆门市荆花石膏矿中留作矿柱的新鲜石膏岩进行天然和饱水两种状态下的单轴和三轴压缩试验,结合微观扫描电镜试验,研究石膏岩的强度和变形软化特性及机制。结果表明:石膏岩遇水会发生显著的强度和变形软化。随溶液中SO_4~(2-)、Ca~(2+)浓度不同,强度软化系数在0.6~0.72之间,弹性模量软化系数在0.66~0.75之间,凝聚力c显著下降而内摩擦角φ基本保持不变。石膏岩具有良好的延性,天然状态下峰后应变软化转为理想塑性变形的临界围压在2.5~5.0 MPa之间,经饱水软化后临界转换围压低于2.5 MPa。石膏岩遇水软化机制与其主要矿物成分二水硫酸钙的微溶性质密切相关。在蒸馏水中,石膏岩主要因溶解造成矿物流失,弱化内部结构而软化;在硫酸钙饱和溶液中,石膏矿物溶解-重结晶的动态平衡改变了岩石内部结构,使其疏松化,造成其力学性质发生软化。试验结果加深了对石膏岩遇水软化力学特性的认识,对石膏矿采空区稳定性分析具有重要意义。     

绿泥石千枚岩力学性质及其饱水劣化机制

针对工程中常见的千枚岩,进行了不同片理角度的压缩试验以及相关的SEM测试,分析了片理面和含水量对其力学性质和破坏模式的影响以及千枚岩的软化机理。研究结果表明:(1)不同片理角度千枚岩的应力-应变曲线大体一致,都经历了压密段、弹性段、屈服段和破坏段;饱水岩样的屈服段更加明显,峰值应变增加,应力-应变曲线跌落变缓。(2)千枚岩的各向异性显著,片理角度从0°到90°,弹性模量呈倒S型变化规律,变形模量和抗压强度呈先减小后增大的U型变化规律;饱水千枚岩的弹性模量和变形模量分别下降了41.63%～47.38%,37.44%～43.02%,强度软化系数为0.49～0.70,其中β=30°时软化系数最小。(3)千枚岩的破坏模式可分为3种类型:张拉劈裂破坏,剪切滑移破坏和张拉-剪切复合破坏。饱水试样的破碎程度低,脆性减弱,剪切破坏增强。(4)黏土矿物颗粒吸水膨胀、颗粒间胶结物溶解,使得黏土矿物软化、剥落,岩体结构变得松散,这些微结构的改变导致了千枚岩力学性质的劣化。     

页岩各向异性力学特性微观测试方法研究

页岩力学各向异性特征是地应力、井壁稳定、水力裂缝扩展相关研究的重要基础参数。针对页岩力学各向异性宏观测试中存在样品制取困难、制样成功率低的特点,采用来源丰富的钻井岩屑或破碎岩块,通过研究纳米压痕实验原理、实验方法和数据解释方法,采用连续刚度测试方法对平行层理和垂直层理的页岩试样进行纳米压痕测试;基于硬度的分类准则将纳米压痕数据分为三类主要矿物基质进行合理解释,采用接触刚度法计算硬度、杨氏模量,采用能量法计算断裂韧性,得出了页岩粘土基质的杨氏模量、硬度和断裂韧性。测试结果表明这种基于硬度的分类准则处理纳米压痕数据是方便合理的。页岩粘土基质力学特性在纳米尺度上具有各向异性,纳米尺度力学参数与层理方向相关。页岩不同力学参数的各向异性表现不同,杨氏模量各向异性较弱,断裂韧性各向异性较强。平行层理方向断裂韧性为垂直层理方向断裂韧性的80%。     

软岩饱水试验与软化临界现象研究

针对华南地区广为分布的“红层”软岩遇水软化问题,选择粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象,在软岩饱水软化试验的基础上,采用“自组织临界性”理论深入分析了软化试验中的临界现象,结合软岩物理力学性质、微观结构以及水溶液离子浓度变化的试验结果,得出：在饱水3个月和6个月时,对应于所研究软岩软化的临界时间点,其物理、力学性质与水溶液离子浓度的变化在前3个月内变化幅度较大,3个月后较为平缓,并可能出现波动,6个月后开始趋于稳定;而其微观结构变化满足1～3个月变化较小,3～6个月自行调整而趋于有序,6个月之后结构类型完全改变。在此基础上,分析了软岩系统自组织临界现象中最显著的两个特征：自组织性和临界特性,并从系统演化的角度探讨了饱水软岩系统中一种具有一定稳定性的非平衡自组织有序结构的产生过程,给出了水作用下软岩工程特性变异达到稳定的临界时刻。     

饱水和天然状态下页岩滞后效应及阻尼特性研究

运用RLW-2000型微机伺服岩石三轴试验机,对饱水状态和天然状态页岩在不同围压下进行三轴循环加卸载试验,分析了两种含水状态页岩的力学特性和滞后效应,并基于能量原理讨论了阻尼比演化规律。试验结果表明:随循环次数增加,累积残余应变逐渐增加,相对残余应变先降低,后趋于稳定区域,直至破坏前急剧增加;饱水页岩的加卸载变形模量均比天然页岩小,加载变形模量整体比卸载变形模量小;在加载和卸载阶段,均出现应变始终滞后于应力的现象;饱水页岩的滞后效应比天然页岩更明显。提出了考虑滞后效应的能量计算方法,较以往能量计算的误差更小。最后基于能量原理对阻尼比的计算公式进行修正,发现饱水页岩的阻尼比比天然页岩大。阻尼比的变化较好地反映了页岩损伤机制,可作为预判页岩失稳破坏的重要指标。     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜(SEM)试验和氮气吸附(NA)试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明:膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

软岩饱水软化过程微观结构演化的临界判据

针对红层软岩遇水软化问题,在已开展的粉砂质泥岩饱水软化试验结果的基础上,从建立软岩微观结构模型出发,定量化研究软岩软化的力学机制。首先将描述粉砂质颗粒特性的结构元件引入到M. Tuller、D. Or提出的黏土矿物微结构模型中,提出了软岩微观结构组合元件;然后结合软岩饱水软化试验中微观结构测试结果,考虑天然状态软岩微观结构的基本类型特征,建立了描述粒状结构与致密条块状结构软岩的两类典型微观结构单元;在此基础上,采用重整化群方法,分别建立了两类软岩软化的重整化模型,并基于重整化原理,分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据,搭建了软岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。通过对比软岩饱水软化过程力学性质试验结果,验证了所建立模型的合理性,为进一步开展软岩软化全过程定量化研究奠定基础。     

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

红砂岩吸水软化及冻融循环力学特性劣化

水与温度变化是工程岩石物理力学性能劣化的典型风化因素。对不同含水状态及经受不同次数冻融循环损伤后的红砂岩岩样进行了单轴压缩、劈裂拉伸及变角剪切试验。结果表明,红砂岩抗压强度、弹性模量、劈拉强度、黏聚力及内摩擦角等主要力学指标随含水率和冻融循环次数的增大均有不同程度的降低,但降低规律有所不同。水对岩石有明显的软化作用,冻融循环累积损伤显著。利用微观电镜扫描分析了不同含水率及冻融损伤后岩样微观结构的变化规律,认为吸水及冻融循环过程中水对红砂岩的软化表现为溶蚀作用与介质作用,温度变化的作用表现在热变形不协调和相变作用。提出了冻融循环作用下红砂岩力学特性衰减模型,并据此分析了各力学指标的衰减速率和半衰期。该研究结果对涉水岩石工程及寒区岩石工程具有一定的意义。     

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。

     

龙滩水电站泥板岩剪切流变力学特性研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站泥板岩进行了剪切流变试验,分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律,探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势,讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。将非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来,建立了新的能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型。采用泥板岩剪切流变试验曲线,对建立的黏弹塑性剪切流变模型进行了辨识,获得了岩石黏弹塑性剪切流变模型的材料参数,流变模型与试验结果的比较显示所建模型的正确性与合理性。     

层理性页岩力学参数对水力压裂裂缝形态的影响分析

岩石力学性质及地应力等地质力学参数是进行储层压裂改造的基础数据,影响着整个压裂设计的准确性。由于页岩层理发育及矿物组成的复杂性、页岩力学性质的横观各向同性,所以基于传统力学模型获取的压裂参数设计将丧失意义。以横向各向同性模型体现层理发育页岩储层的力学性质,通过简化的横纵弹性模量和泊松比可以较好地表达出页岩的横观各向同性,并总结了横观各向同性地应力解释方法。基于上述理论,应用商业化水力压裂数模软件对四川盆地某层理页岩储层进行了压裂设计,比较了基于横观各向同性模型与传统模型解释力学参数差异,非常规储层动静态力学参数转换,同时通过改变射孔位置研究了起裂点对裂缝形态的影响。研究发现,横观各向同性解释的杨氏模量、地应力要略高于传统方法,同时横观各向同性解释的地层地应力差较小,所以受不同射孔位置的变化对裂缝几何的形态影响要远远高于各向同性模型模拟的结果,特别是缝高变化更为明显。同时数据表明,在高应力区射孔将形成更为狭窄缝宽的水力裂缝,这会严重影响后续支撑剂的进入,以上结论将为提高页岩储层的压裂设计精确性给予重要帮助。     

Factors influencing determination of shale classification indices and their correlation to mechanical properties

The influence of sample preparation procedure on the measured classification indices such as clay-size fraction, liquid limit, and plastic limit of shales was investigated. Shale samples covering a wide range of composition and plasticity were tested using standard and modified preparation procedures to yield quantitative data required for this investigation. The study specifies the range of shale plasticity in which the measured values of clay-size fraction and liquid limit are sensitive to hydrometer specimen size and rehydration time, respectively. The study also revealed that the degree of shale particle disaggregation has an important influence on the measured clay-size fraction and liquid limit. This influence is maximized for shales with intermediate plasticity and can be interpreted in terms of particle size and shape. Correlations were established between classification indices derived from standard and modified sample preparation procedures. It is recommended to use these correlations to adjust shale classification indices derived from standard sample preparation procedures usually utilized by commercial laboratories. Such correlations help in creating a universally followed procedure for better estimation of shale engineering properties and reliable interpretation of case histories involving shale formations.     

超临界CO2作用下页岩力学特性损伤的试验研究

随着社会对清洁能源的需求不断扩大,超临界CO2强化页岩气开发技术受到广泛关注。为研究超临界CO2对页岩力学特性的影响,将四川盆地志留系龙马溪组页岩作为研究对象,对其进行不同浸泡时间条件下的超临界CO2浸泡试验,并通过劈裂试验和三轴压缩试验,获得浸泡前后页岩强度与变形的变化规律,进而结合SEM、XRD等系列页岩微观测试,初步探讨超临界CO2与页岩的相互作用机制。研究结果表明：超临界CO2浸泡后页岩的抗拉强度、三轴抗压强度、弹性模量均出现不同程度的下降,而随浸泡时间的加长,页岩强度的损失量增大。初步分析表明：在超临界CO2作用下,一方面改变了页岩的颗粒骨架和孔隙结构,另一方面改变了页岩的矿物成分组成,降低页岩岩石颗粒间的胶结程度,从而劣化页岩的力学性质。     

不同应变速率下泥页岩力学特性试验研究

为了揭示泥页岩在不同应变速率下的力学特征,为页岩气的开采提供科学指导,分别在5×10-4/s、1×10-4/s、1×10-5/s、 1×10-6/s四种不同应变速率下对页岩开展单轴压缩力学试验。研究表明,应变速率对页岩的弹性模量、峰值强度、破裂形态等具有显著影响,应变速率从高到低,弹性模量和峰值强度都呈逐渐降低趋势,但下降速度逐渐放缓,两者与应变速率负对数大致呈幂函数关系,而采用平均值拟合时则相关性较高,相对而言,弹性模量的应变率效应更显著;应变速率对破裂形态的影响极为明显,在高应变速率下页岩迅速劈裂为较少的大块,整体构架丧失,随着应变速率降低,破裂过渡为劈裂为主,伴随局部剪切破坏,达到最低应变速率时主要呈劈裂破坏,但同时形成较多横向分布裂纹,即低应变速率下破坏均匀且形成纵横切割试样的网状裂纹,页岩的应变速率在整体上对破裂方式影响最为显著,主要表现为低应变速率下的破坏更均匀、更易形成裂纹网。因此,该特性对于确立页岩力学参数及设计压裂方案具有重要启发作用。     

渝东北地区龙马溪组页岩吸水特性及对其力学性质的影响

页岩中含有一定量的黏土矿物,在与水基压裂液接触后会表现出与泥岩相同的膨胀特性和强度弱化效应,进而引起套管外载增加,在页岩储层压裂过程中套管出现不同程度的变形问题。以渝东北地区龙马溪组页岩为研究对象,开展不同溶液体系下页岩的自吸、膨胀特性物理实验,分析页岩水化对其岩石力学特性的影响。结果表明：页岩吸水量与时间呈对数递增关系,在不同溶液体系中,吸水量大小表现为蒸馏水 > 地层水 > 滑溜水,含有减阻剂浓度小的滑溜水体系更利于减弱页岩的吸水能力;页岩膨胀率与时间呈逐渐增长趋势,黏土矿物含量、围压和溶液体系对页岩膨胀率影响明显,相对于黏土含量,围压对膨胀率影响更加明显,页岩在溶液体系中的膨胀性能表现为蒸馏水 > 地层水 > 滑溜水;页岩的抗压强度和弹性模量都随着水化时间的增加整体呈线性递减规律。研究结果对完井过程套管强度设计具有一定的指导意义。     

基于饱水页岩地震频段岩石物理测试的地震响应频散特征分析

页岩储层由于骨架和孔隙结构的微观非均质性,能够在地震频段内引起波诱导的孔隙流体流动相关的弹性频散和衰减,但声波测井和实验室超声实验测量频率段远超地震频段,不可避免产生测量速度和衰减差异。这里基于澳大利亚惠灵顿地区的页岩岩心在干燥和水饱和条件下地震频段的弹性和衰减测量结果,考虑频变反透射系数和衰减对地震波反射的影响,针对不同层厚的页岩储层开展地震响应计算,并利用Wigner-Ville分布时频分析技术讨论了页岩频散、衰减性质及层厚对其地震响应规律的作用。对于无明显速度频散和衰减的页岩储层,顶、底反射振幅的频变属性受调谐效应控制,主要呈现出低频异常和陷频特征;而对于速度频散和衰减强烈的储层,顶、底反射振幅的频变属性同时受到调谐效应与储层本身频散衰减性质的作用。干燥和含水页岩储层地震响应的频变性质差异有助于加深对含流体页岩地震响应特征的理解,而基于地震频段实测数据正演和时频分析技术,对于提高页岩的地震勘探精度和流体识别具有重要的作用。