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。

     

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

单轴压缩下龙马溪组页岩各向异性特征研究

层状页岩的各向异性在页岩气开采中十分重要,以龙马溪层状页岩为研究对象,对不同层理方向取芯、平行于层理面取芯的页岩进行了电镜扫描和单轴压缩试验。结果表明:页岩的微观描述、单轴压缩参数各向异性明显;应力-应变曲线属于Ⅱ类曲线,且5个阶段不明显;破坏类型主要有3种:0°~15°时为竖向劈裂型张拉破坏,30°~60°时为沿层理弱面的剪切滑移破坏,75°~90°时为穿切层理面的剪切破坏,取芯角度不同,对应的曲线之间差异较大。与层理面成30°时单轴抗压强度最小,0°和90°附近相对较大;弹性模量和纵波波速相关性较好,都随着角度的增加而减小;平行于层理面取芯的样品其横观各向异性不明显,可近似看作横观各向同性体;微裂隙发育、独特的破坏类型是造成各向异性的主要原因。     

页岩各向异性特征的试验研究

为研究彭水页岩气区块储层的各向异性特征,开展了石柱县龙马溪组页岩的单轴和三轴压缩试验,分析了其力学特性、强度特征和破裂模式的各向异性,并揭示了其破坏机制的各向异性。结果表明：(1) 龙马溪组页岩具有明显的各向异性特征,弹性模量在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,且围压的增加使其增加速率不断减小;0°、30°和60°、90°页岩的泊松比随围压的增加呈现出了相反的变化规律,这可能与页岩层理间孔隙和微裂缝的良好发育有关。(2) 相同围压下,0°试样强度最高,90°次之,30°最低,总体上呈现出两边高、中间低的U型变化规律,而不同角度的Hoek-Brown强度准则能较好地反映其强度的各向异性特征。(3) 页岩破裂模式的各向异性是由破坏机制的各向异性引起的,而强度的各向异性是由破坏机制的各向异性控制的。单轴压缩时,0°页岩为沿层理的张拉劈裂破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°为贯穿层理和沿层理的复合剪切破坏,90°为贯穿层理的张拉破坏。三轴压缩时,0°为贯穿层理的共轭剪切破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°和90°为贯穿层理的剪切破坏;页岩地层的层状沉积结构和层理间的弱胶结作用是破坏机制各向异性的根源。研究结果为水平井井壁的稳定性分析和水力压裂施工设计等提供了技术参考。     

复杂地质特征中富有机质页岩脆性评价方法研究

页岩脆性是页岩气勘探开发中“工程甜点”选区的重要评价指标。针对目前页岩脆性评价方法多样,加之我国复杂的各种地质条件与因素均对页岩脆性存在不同程度的影响,难以全面科学的表征页岩脆性等问题,通过对我国产气的主要页岩层系中现有的脆性评价方法的分析,结合页岩岩性岩相特征、埋深情况、有机质与石英含量、室内页岩的力学性质测试和镜下微观结构的观察等研究成果的调研,认为沉积环境和岩性岩相决定页岩脆性矿物种类;埋深环境决定着岩石外部的围压和温度,进而影响岩石力学性质;有机质与石英含量两者差异致使页岩脆性在纵向上产生变化;页岩层理结构和微观孔隙结构特征影响页岩破裂模式,也决定着力学性质的各向异性。综合我国各种复杂地质特征,针对页岩内部与外部环境提出了一种简单的脆性理想评价模型,增强了复杂地质条件中页岩脆性评价的适用性。     

页岩气储层脆性评价方法研究现状

随着常规油气资源的不断开发,其存量资源越来越少。美国非常规油气资源的开发成功,为页岩气勘探开发奠定了技术基础。储层改造技术是决定页岩气开发成败的两大关键技术之一。而页岩气储层的脆性指数是评价页岩气储层可改造（可压裂）的关键指标。本文对国内外的页岩气储层脆性评价方法进行了广泛深入的研究,总结了岩石脆性的各种力学表征方法以及矿物成分对岩石脆性的影响,为我国页岩气储层脆性评价方法的研究提供了基础性参考资料。     

应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究

采用应变软化本构模型和矢量和法,提出了一种模拟应变软化边坡渐进性破坏过程的分析方法。该方法可得到应变软化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系数、边坡破坏状态的变化过程,据此可分析边坡的渐进破坏。采用所提方法对应变软化材料边坡算例进行了分析,并与3种极限平衡法进行了对比,结果表明:(1)滑面矢量和安全系数介于传统极限平衡法峰值安全系数与残余安全系数之间,滑面强度参数部分处于峰值状态、部分处于残余状态,弥补了传统极限平衡法不能得到真实的应变软化边坡安全系数的缺陷。(2)强度参数弱化的区域与边坡破坏区域位置一致,坡脚处滑面最先出现软化,随着塑性剪切破坏的发展,其由软化状态变为残余状态,邻近部分滑面开始出现新的软化,接着进入残余状态,边坡破坏由坡脚向坡顶发展,随着这个过程的持续进行,边坡的渐进性破坏不断发展,边坡安全系数不断降低,直至渐进性破坏过程结束。(3)随着残余软化参数的增加,滑面位置逐渐变浅,矢量和法安全系数逐渐增加。该方法能够较好地分析边坡的渐进性破坏过程,具有较好的应用前景。     

各向异性页岩储层脆性特征分析

针对页岩脆性各向异性特征的研究相对薄弱,亟待发展与之相应的页岩储层脆性研究。为实现页岩脆性指数的表征,基于多尺度建模思想,引入各向异性元依次建立纳米级多孔黏土颗粒、亚微米级富有机质黏土颗粒和微米级干岩石骨架,并综合考虑吸附气、束缚水等影响因素,改进了常规基于DEM理论及Gassmann理论的建模流程,建立了页岩储层等效介质模型并实现了弹性参数的表征。然后,引入方位角的影响,依据Bond变换推导得到了杨氏模量、泊松比等脆性指数各向异性表达式,实现了以等效介质模型弹性模量为参数的脆性参数表征。最后,总结了页岩储层脆性的各向异性特征以及页岩储层脆性对矿物组分的敏感性,发现平行于储层走向且垂直于层理方向上的脆性是垂直于储层走向且与层理45°夹角时的2．5倍;同时,脆性对石英的敏感强度约为黏土的2倍。该特征研究可以为储层脆性预测及水力压裂方案设定提供参考依据。     

应变率对红砂岩渐进破坏过程和特征应力的影响

为了深入研究脆性岩石的渐进破坏过程,利用RMT-150C型岩石力学试验系统对产自鲁南地区的一种红砂岩进行了系统的力学性质试验研究,得出该类型砂岩试样在不同应变率条件下的力学表现。将试件的渐进破坏过程通过特征应力分为裂纹闭合阶段、线弹性变形阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段以及裂纹不稳定扩展阶段,通过对应力-应变曲线、轴向变形刚度、体积应变曲线和裂纹体积应变等数据的分析,以及采用动点回归技术确定了试样的起裂应力和致损应力,并进一步研究了该类红砂岩的渐进破坏过程及红砂岩峰值强度、起裂应力等参数和应变率之间的关系。试验结果表明,随着应变率的增加,红砂岩试样的峰值强度先降低后提高,起裂应力及致损应力与峰值强度的比值均有所降低。分析了红砂岩峰值强度变化的物理机制并给出了解释,研究了应变率对红砂岩渐进破坏过程的影响     

一种适用于各向异性土体的破坏准则

自然界的土体通常具有各向异性的特点,而传统的破坏准则大多只适用于各向同性的土体。结合应力张量和反映材料各向异性状态的组构张量,定义了修正偏应力及其不变量,提出了适用于各向异性土体材料的破坏准则。给出了共轴条件下正交各向异性和横向各向异性材料在一般应力空间的破坏曲线以及不同应力区中主应力系数b与摩擦角的关系曲线,并分析了它们的特性以及与各向同性材料相应曲线的区别。通过与真三轴试验数据的比较,表明该准则能很好地描述各向异性土体材料的强度特点。     

焦石坝地区页岩各向异性及其影响的分析研究

黑色富含有机质页岩由于沉积方式的特殊性,一般具有较强的各向异性.但现有大部分研究是基于各向同性理论开展页岩储层预测工作,这与页岩的实际地质特点不符.文中联合利用实验室岩石力学测试数据以及各向异性参数经验公式计算焦石坝地区页岩的各向异性参数,并进一步探讨了各向异性对页岩岩石速度、储层AVO响应特征以及岩石力学参数计算的影响.结果表明,各向异性对页岩速度、脆性指数预测结果影响较大,在地层倾角较大时进行速度分析及页岩可压性预测时应考虑各向异性参数的影响;同时,AVO正演结果表明地震反射入射角小于40°时,各向异性算法与各向同性算法计算的页岩AVO响应差异较小,利用各向同性叠前反演方法进行页岩储层预测具有可行性.     

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

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。     

地震叠前反演方法预测页岩脆性指数在南川地区的应用

页岩气的有效开发依赖水平井的压裂效果,而页岩脆性是影响页岩压裂的关键因素。通过对比分析现有的3种脆性指数计算方法,即矿物脆性指数计算法、岩石力学脆性指数计算法、基于多元回归脆性指数计算法,优选基于多元回归的脆性指数计算法计算五峰—龙马溪组(简称龙马溪组)页岩储层脆性指数。以四川盆地东部南川地区龙马溪组海相页岩气为例,利用南川地区三维地震资料叠前反演方法,获取多元回归脆性指数计算方程所需的参数,预测页岩脆性指数。结果表明,在已有钻井矿物脆性指标约束下,叠前反演法计算的脆性指数平面预测效果较好,且与实际压裂数据具有较好的一致性,能够满足南川地区页岩气勘探开发的需要。     

顺层岩质边坡渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究

提出了利用Lagrangian乘子网格来模拟顺层边坡层间结构面接触行为的方法,并推导了考虑接触约束的Lagrangian控制方程的弱形式及其有限元离散方程。Lagrangian乘子网格容许界面出现较大的切向滑移,较好地解决了接触问题中的高度非线性和响应不平滑性。应用以上方法对沪－蓉－西高速公路某顺层岩质高边坡进行了数值模拟分析,得到了临滑状态下的位移场、应力应变场、结构面上的接触状态、层间滑移距离以及接触摩擦力的分布规律。数值模拟结果表明,顺层岩质边坡的破坏是一个渐进的过程,由最初的层间错动,发展为顺层蠕滑,最后在坡底剪出而破坏;其破坏型式由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。     

强间断分析方法在土工结构物渐进破坏过程中的应用

对于超固结黏土和密实砂土等软化材料或非关联塑性材料组成的地基、边坡及挡土墙墙后土体,在其破坏过程中,会产生应变局部化现象,使得控制方程的类型发生改变,从而导致出现数值解不惟一和解的网格相关性等现象。为了克服这些数值困难,基于强间断分析方法,及单元内嵌不连续面的有限元模型,对地基、土坡、墙后土体的渐进破坏过程进行了数值模拟。计算结果表明,单元内嵌不连续面模型可以有效地模拟土工结构失稳破坏过程,并且能够明显地改善采用常规有限元方法所产生的网格尺寸相关性问题。这一方法可作为传统极限平衡法进行稳定分析、承载力分析的有益补充。     

碳酸钾焙烧分解富钾页岩的实验研究

通过实验探讨了富钾页岩 碳酸钾体系热分解反应过程。以富钾页岩分解率为目标函数，正交实验表明：最佳焙烧温度为820-830℃，富钾页岩：碳酸钾(质量比)=1．00：1．51，最佳焙烧时间60min，生料粒度60～80目。并用热重／差热分析和X粉晶衍射进行分析，拟合热力学数据，初步分析了反应机理。     

脆性岩石三轴压缩渐裂过程中的渗透性演化规律研究

岩石渐进破坏伴随着裂纹的开展发育,岩石的渗透性演化与裂纹的开展规律有着密切的联系。运用三轴渗流伺服装置对凝灰岩进行了不同围压和渗压下的渗流-应力耦合试验,分析了岩石在渐裂过程中不同裂纹开展阶段渗透率的演化规律。结果表明：在裂纹的稳定扩展阶段,渗透率的变化不明显,起裂强度对应的渗透率可用于确定最小渗透率;进入裂纹非稳定扩展阶段后,渗透率出现明显增大,增大过程可以分为两个阶段,裂纹环向应变能较好地反映渗透率增大的两个阶段,其拐点可用于确定起始渗透率的位置;在峰后软化阶段,渗透率出现下降并进入残余稳定阶段,裂纹环向应变率可以反映渗透率的下降阶段,并可用于确定峰值渗透率的位置。