沉积结构面及其对岩体力学性质的影响

基于沉积结构面的成因类型,通过理论分析和实验研究,分析了沉积结构面的变形与破坏特征,研究了沉积结构面力学特征及其力学效应,提出了弱面型层理、层系或层系组界面和岩层面以及不整合面均为沉积构造弱面,这些弱面对沉积岩体力学性质产生重要的影响。分析了沉积岩体沿层面方向和垂直层面方向岩体力学性质的差异性。研究表明,垂直层面方向的纵波速度和弹性模量要比平行层面方向低;平行层面方向的抗拉强度要大于垂直层面方向;而平行层面方向的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向。沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏,在采动影响下顶板岩体易于沿岩层层面产生离层破坏现象,这进一步揭示了沉积结构面变形与破坏机制。     

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。     

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。     

页岩沉积环境对其油气潜力的影响:以中国和北美对比研究为例

页岩油气是当前全球油气勘探和研究的热点,但其潜力评价一直是难点。该文以中国和北美的四套典型页岩为例,包括北美湖相Green River组、内陆海相Niobrara组、中国环境来评价相龙马溪组和济阳坳陷湖相页岩,发现页岩沉积环境与其油气潜力具有密切关系,因此可通过分析发现这四套页岩的沉积环境都具有页岩沉积环境评价其页岩油气潜力。通过微量元素、生物标志化合物、扫描电镜、X-CT和X射线衍射等方法,发现这四套页岩都具有一定的还原性和较高的生产力,且具有差异性。内陆海相Niobrara组页岩具有弱还原的沉积环境,在四套页岩中有机碳含量较低,呈块状沉积构造,裂缝与微裂缝较少,储集空间相对有限。焦石坝海相龙马溪组页岩为还原的沉积环境,岩石以富含有机质的硅质岩为主,可观察到大量的大孔隙与少量的微裂缝。Green River页岩和济阳坳陷页岩形成于陆相咸化的强还原沉积环境,有机碳含量高,页岩以纹层状结构为主,岩石组成脆性矿物含量高,含有大量的裂缝。可见,具有强还原沉积环境的页岩通常具有较好的勘探前景。     

基于微观岩石力学试验和NWA13618陨石的小行星岩石力学参数分析

未来人类的地外天体勘探、太空资源开发、地外基地建设等活动都离不开岩土工程技术的发展。目前,人类获得太空岩石样本仅有太空飞行器取样和收集陨石两种途径。由于陨石存量稀少、价格昂贵、尺寸小并且形状任意,因此难以加工成传统力学试验与模拟（mechanical testing&simulation,简称MTS）材料试验机等宏观岩石力学试验所需要的高质量标准岩样。基于微观岩石力学试验和统计分布模型,发展了适用于小尺寸陨石的力学参数测量新技术。首先,应用矿物自动定量分析系统（TESCAN integrated mineral analyzer,简称TIMA）获得NWA13618陨石成岩矿物组成、含量和分布。然后,利用网格纳米压痕技术进行大量压痕试验获得多点弹性模量;之后,利用高斯混合模型,统计求解NWA13618陨石中4种主要矿物的力学参数。橄榄石、辉石、铁镍金属、长石的弹性模量分别为116.73、101.77、87.24、70.74 GPa;最后,基于岩石力学试验结果,采用Mori-Tanaka均质化方法获得NWA13618陨石宏观cm尺度弹性模量为90.48 GPa。提出的微观岩石力学试...     

基于神经网络的页岩微纳米孔隙微结构分析的正则化和最优化方法

页岩气成藏机理与页岩内部孔隙结构紧密相关,对页岩孔隙结构的研究成为页岩气勘探开发技术中至关重要的一环。页岩内部不同结构体组分对X-射线的吸收能谱不一样,这样就导致观测数据是由不同页岩组分衰减不同波段的X-射线构成的。经过对CT图像分割,能够获得页岩微孔结构的图像,尤其是获得有机质中孔隙类别、形状、尺寸、空间分布、连通特性。本文利用同步辐射X射线扫描重构的页岩CT数据,研究并设计基于多能CT图像的神经网络图像分割技术和算法,以期得到页岩体三维结构特征及空间分布,可以为建立有机质种类和无机矿物组成与微纳孔隙特征的联系以及最终实现页岩气的资源储量评估和勘探开发提供技术支持。     

不同含水率条件下赤泥掺量对红黏土力学性质及结构的影响

本文通过在不同含水量条件下对等比例赤泥改良红黏土的物理力学性质进行试验研究,研究含水量对赤泥红黏土的影响和作用机理。再通过电镜扫描,研究不同比例赤泥对红黏土微观结构的影响。试验结果表明,宏观上,掺入赤泥后红黏土随着含水量的增大,抗剪强度呈先增后减的趋势。压缩试验研究中,掺入赤泥的红黏土压缩性随含水量的增大整体呈降低趋势,下降幅度随着赤泥含量的增大而增大。微观上,不同赤泥含量的红黏土土样表面颗粒从团聚体向片状体变化,结构从疏松状态逐渐向致密状态过渡,孔隙减少使得赤泥红黏土的吸水能力减弱。     

基于结构面性状对岩体力学性质响应的模拟研究

为研究结构面性状对锦屏大奔流料场边坡岩体性质的影响,在对该边坡砂岩进行室内三轴压缩试验的基础上,开展含4组不同结构面性状岩体的力学模拟测试,最后对该边坡岩体的开挖进行数值模拟。试验结果表明,岩样破坏过程可以分为4个典型的阶段: 弹性变形阶段,屈服阶段,残余强度阶段及塑性流动阶段。随着围压的增大,岩石破坏所需偏应力逐渐增大,且岩石逐渐表现出延性特征。结构面性状模拟结果表明,含软弱充填结构面比不含者对岩体力学性质影响(弱化)大,有倾角结构面比无倾角结构面对岩体性质影响较大,大倾角结构面总体上比小倾角的影响大,软弱充填厚度对岩体内摩擦角影响较大。实例模拟结果表明,开挖卸荷使得边坡后缘岩体产生卸荷回弹变形,产生X向拉伸位移,煌斑岩脉的存在使得塑性区域沿此软弱带发展,开挖第8步时,塑性区贯通,边坡发生失稳。研究结果对陡高边坡岩体开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

煤和干酪根纳米结构的研究进展

对煤和干酪根结构的认识得益于技术和方法的不断创新。基于各种方法,先后建立了多个煤和干酪根的结构模型,但至今没有得到普遍认可。原子力显微镜(AFM)可以实时、实空间、原位成像,可以观察单个原子层的局部表面结构,直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以及表面扩散等动态过程。在对图像的分析中,AFM超越了传统仪器单纯平面成像的功能,可提供样品表面动态三维图像和用于分析的定量化信息。通过纳米技术,实现了原子级的分辨率的观察,揭示了煤和干酪根聚集态分子和纳米级孔隙的形态、大小、结构及相互间的空间排列特征,显示出在煤和干酪根结构研究中的巨大潜力。纳米技术为煤和干酪根结构的基础研究工作拓展了新的途径,也为非常规油气的勘探开发和煤炭的二次转化研究提供了科学依据。     

无定形物质对土的力学性质和结构的影响

本文研究了无定形硅、铁、铝对土的力学性质和微观结构的影响。研究结果表明,无定形物质能加强土颗粒间的连结和结构强度,含无定形物质的士通常含水量高,孔隙比大,周围环境的物理化学因素变化时,其力学性质也容易变化。     

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%。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明:层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅与层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ=0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ=30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ=45o试样主要沿层理面张拉破坏,θ=60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ=45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ=45o试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学...     

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。     

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。     

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。     

煤系泥岩组分特征及其对岩石力学性质的影响

应用X-衍射、荧光光谱分析和力学试验研究方法,研究了淮南新集井田煤系泥岩的矿物组成和化学成分特征;建立了泥岩的力学性质与其化学成分之间的定性定量关系,其表现为:随着SiO2含量的增大,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈增大趋势;而随着烧失量的增大,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈减小趋势。     

Influence of the microstructural properties of biocemented sand on its mechanical behavior

The mechanical efficiency of the biocementation process is directly related to the microstructural properties of the biocemented sand, such as the volume fraction of calcite, its distribution within the pore space, coordination number, contact surface area, and types of contact. In the present work, some of these microscopic properties are computed, from 3D images obtained by X-ray tomography of biocemented sand. These properties are then used as an input in current analytical models to estimate the elastic properties (Young and shear moduli) and the strength properties (Coulomb cohesion). For the elastic properties, the analytical estimates (contact cement theory model) are compared with classical bounds, self-consistent estimate and numerical results obtained by direct computation (FEM computation) on the same 3D images. Concerning the cohesion, an analytical model initially developed to estimate the cohesion due to suction in unsaturated soils is modified to evaluate the macroscopic cohesion of biocemented sands. Such analytical model is calibrated on experimental data obtained from triaxial tests performed on the same biocemented sand. In overall, the presented results point out the important role of some microstructural parameters, notably those related to the contact, on such effective parameters.     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

循环荷载下含层理页岩渗透特性试验研究

深入理解含层理以及含宏观裂缝页岩在循环荷载扰动下渗透率的演化规律,对于页岩气隧道安全施工而言意义重大。利用GCTS岩石力学测试系统对含轴向层理及轴向宏观裂缝页岩试件在循环轴向应力和循环围压下渗透率的演化规律开展相关试验研究。结果表明：含轴向层理页岩试件渗透率随轴向应力的加载和卸载基本不发生明显改变,而随围压增加以负指数的形式下降,随围压的减小以指数的形式增加;含宏观裂缝页岩试件的渗透率随轴向应力的加、卸载近似以线性形式降低和增加,而随围压的增大以负指数形式下降,随围压的减小以指数形式增加;含轴向裂缝页岩试件的渗透率相较含轴向层理页岩试件而言有大幅提升,其二者比值约为9倍左右;页岩试件对围压的敏感性约为轴向应力的26倍;试件渗透率几乎不随轴向应力循环次数发生明显改变,而随围压循环次数的增加呈负指数式下降,且其降幅主要集中在第1循环阶段内。研究成果可对页岩气隧道的安全施工提供一定的理论支撑。