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层理方向对砂岩力学性质和渗透性的影响研究

地下空间与工程学报 2023年第S2期19卷 617-623,631页

作者：张思源韩冰原俊红张晓晨郝文亮内蒙古电力(集团)有限责任公司鄂尔多斯供电分公司内蒙古鄂尔多斯017010 内蒙古大学交通学院呼和浩特010070

层理方向对砂岩力学性质和渗透性具有显著影响。本文通过制备不同层理方向的砂岩试样,开展了力学性质和渗透率测试试验,探明了不同层理方向岩石的力学性质和渗透率的演化规律和演化机理。研究表明:不同α夹角的试样在受载-变形-破坏过... 详细信息

层理方向对砂岩力学性质和渗透性具有显著影响。本文通过制备不同层理方向的砂岩试样,开展了力学性质和渗透率测试试验,探明了不同层理方向岩石的力学性质和渗透率的演化规律和演化机理。研究表明:不同α夹角的试样在受载-变形-破坏过程中均呈现显著的压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,α夹角越大,应力应变曲线越陡,压密阶段越不容易被辨别。砂岩的峰值强度随α夹角增大呈“先减小后增大”的倒U型关系,而砂岩弹性模量随α夹角增大呈近似线性关系;受载-变形-破坏过程中试样渗透率均随着α夹角的增大而逐渐减小,符合指数函数关系;数值模拟显示层理方向对流体压力和流线分布具有显著的影响,层理面上易形成优势流,进而影响不同层理方向试样的渗透率。

关键词：砂岩层理方向力学性质渗透率优势流

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

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岩土工程学报 2019年第10期41卷 1854-1862页

作者：李斌黄达姜清辉陈国庆重庆大学土木工程学院重庆400045 河北工业大学土木与交通学院天津300401 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与... 详细信息

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。

关键词：半圆形砂岩试样层理方向三点弯试验应力强度因子断裂韧度破裂模式

页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响

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天然气工业 2016年第2期36卷 45-51页

作者：孙可明张树翠辛利伟辽宁工程技术大学力学与工程学院

页岩气储层具有不同于常规储层的层理结构,使得其水力压裂规律也与常规水力压裂有所不同。为研究天然层理方向对水力压裂过程中裂纹扩展的影响,利用三轴水力压裂实验系统进行了页岩水力压裂实验,并基于扩展有限元法开发了水力压裂起裂判... 详细信息

页岩气储层具有不同于常规储层的层理结构,使得其水力压裂规律也与常规水力压裂有所不同。为研究天然层理方向对水力压裂过程中裂纹扩展的影响,利用三轴水力压裂实验系统进行了页岩水力压裂实验,并基于扩展有限元法开发了水力压裂起裂判据,建立了三维页岩气储层水力压裂计算模型,研究了层理方向对页岩储层水力压裂裂纹扩展的影响。结果表明:①页岩气储层水力压裂裂纹扩展规律由原地应力状态和层理面结构及强度共同决定,层理方向是水力压裂裂纹扩展方向的主控因素,若压裂后层理面法向拉应力先达到层理面抗拉强度,裂纹沿层理方向扩展,反之,裂纹则垂直于最小地应力方向扩展;②裂纹沿层理面扩展时,层理法向与最小地应力方向夹角增加,起裂和扩展压力增大,裂纹面积减小;③裂纹整体呈椭球非平面扩展,随着压裂液的注入,裂纹面积增加,地层总滤失率增加,裂纹扩展速度减小。压裂实验与模型计算所得的压裂裂纹扩展规律相吻合,从而验证了页岩气储层水力压裂模型的有效性。

关键词：页岩气水力压裂实验室试验层理方向损伤起裂裂纹滤失扩展有限元法

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不同层理方向的煤岩渗透特性研究

科学技术与工程 2017年第17期17卷 206-211页

作者：姜婷婷张建华黄刚矿物资源加工与环境湖北省重点实验室武汉理工大学资源与环境工程学院武汉430070

焦作矿区的山西组二_1煤层具有厚度大、结构简单、分布稳定等特点,其开采潜力较大。对目标煤层渗透率参数的获取是对水力压裂裂缝预测的先决条件。采用室内试验,对该区块的天然岩芯进行渗透特性研究。结果表明:储层的渗透性较好,有利于... 详细信息

焦作矿区的山西组二_1煤层具有厚度大、结构简单、分布稳定等特点,其开采潜力较大。对目标煤层渗透率参数的获取是对水力压裂裂缝预测的先决条件。采用室内试验,对该区块的天然岩芯进行渗透特性研究。结果表明:储层的渗透性较好,有利于水力压裂改造的实施。影响渗透率的主要因素为层理角度、孔隙度、裂纹及微裂缝的发育程度等,其中裂纹和微裂缝的贯通程度对渗透率影响最大,层理角度次之。针对平行层理方向和垂直层理方向上渗透率的较大差异,分别建立了水气渗流的并联和串联阻流模型,揭示了影响渗透特性差异的主要原因为层理构造。本研究可为目标煤层确定合理的开采方式及确定水力裂缝的起裂与扩展规律提供理论支持。

关键词：原煤渗透率室内试验层理方向各向异性

单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

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河南理工大学学报（自然科学版） 2021年第1期40卷 138-145页

作者：王晓雷詹思博闫顺玺蒋鹏程周宁华北理工大学矿业工程学院河北唐山063200

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:... 详细信息

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。

关键词：单轴压缩片麻岩层理方向声发射特征破裂演化

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不同层理方向煤岩单轴压缩声发射特征试验

煤矿安全 2018年第11期49卷 39-43,48页

作者：宋远李化敏刘闯河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的... 详细信息

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的差异。结果表明:二者的破坏类型不同,垂直层理煤样呈现出崩解破坏的特性,而平行层理煤样以塑性破坏为主;平行层理煤样相较垂直层理煤样,其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低;二者的应力-应变曲线很好地与声发射计数-时间曲线、能量-时间曲线相对应,瞬时计数峰值或瞬时能量峰值可作为煤岩破坏的前兆;2种煤样声发射特征值虽具有一定的离散性,但可以认为平行层理煤样累积能量更大,计数、累计计数和能量相对更低。

关键词：声发射单轴压缩应力-应变破坏特征煤岩层理方向

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

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岩石力学与工程学报 2022年第3期41卷 433-445页

作者：王伟赵毅鑫高艺瑞张村中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断... 详细信息

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明:不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷-时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。

关键词：岩石力学层理方向预制裂纹方向横观各向同性声发射

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煤层层理对微波破煤增透效果的影响

煤炭学报 2024年第5期49卷 2324-2337页

作者：朱健胡国忠许家林杨南王同辉王宏图秦伟中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 重庆大学资源与安全学院重庆400044

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开... 详细信息

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征,揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律;对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性,阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律,揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。结果表明:①煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著,层理面与加载方向之间夹角越大,微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大;与原煤样相比,微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小,渗透率各向异性弱化明显。②微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应,具体演化过程为:沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异,使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时,煤体以张拉破坏为主;当层理面与加载方向斜交时,煤体以剪切滑移破坏为主。

关键词：微波破煤增透煤层层理结构损伤渗透特性层理方向

基于数字图像相关技术的致密砂岩裂缝时空演化特征规律

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世界石油工业 2024年

作者：徐永陈立超杨补旺王生维内蒙古工业大学资源与环境工程学院中国地质大学(武汉)资源学院内蒙古自治区测绘地理信息中心内蒙古国土资源勘查开发有限责任公司

摸清层理对致密砂岩断裂规律的影响，对于客观评价致密油气储层压裂裂缝延展规律具有实际意义。对不同层理方向上致密砂岩半圆弯曲试样（SCB）开展三点弯加载，借助数字图像相关技术（DIC）对试样表面位移、应变演化和裂纹扩展进行记录... 详细信息

摸清层理对致密砂岩断裂规律的影响，对于客观评价致密油气储层压裂裂缝延展规律具有实际意义。对不同层理方向上致密砂岩半圆弯曲试样（SCB）开展三点弯加载，借助数字图像相关技术（DIC）对试样表面位移、应变演化和裂纹扩展进行记录，得到砂岩裂纹扩展演化情况。研究表明：加载位移载荷曲线显示致密砂岩断裂裂缝发展包括缺陷压缩、弹性压缩、破裂失效、快速断裂、缓慢破裂这5个阶段，整体上致密砂岩塑性较为显著；致密砂岩在层理角0°、90°时横向位移最大，表明裂缝开度大，岩石断裂为纯张型断裂形式，对于深部致密油气储层高导流压裂有利；在层理角45°时位移最小而x轴方向应变最大，表明试样为剪切断裂，裂缝两侧岩石基质变形严重，制约基质孔隙油气流体进入压裂裂缝。试验发现，层理组构影响裂缝延展方位，随着层理夹角的增大，裂缝偏斜角先增大后减小，层理角45°时裂缝与最大载荷方向夹角最大。

关键词：致密砂岩层理方向裂缝延展规律数字图像相关位移场断口形貌压裂意义