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油页岩热破裂及起裂机制试验

中国石油大学学报（自然科学版） 2010年第4期34卷 89-92,98页

作者：孟巧荣康志勤赵阳升杨栋太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

利用μCT225kVFCB型微焦点显微CT机对油页岩的热破裂过程进行三维无损伤观测,直观地分析裂隙萌生、发展的全过程,依据热弹性力学理论和试验结果,分析油页岩热破裂的起裂机制。结果表明:油页岩在低于300℃的低温段内,热破裂主要由热应力... 详细信息

利用μCT225kVFCB型微焦点显微CT机对油页岩的热破裂过程进行三维无损伤观测,直观地分析裂隙萌生、发展的全过程,依据热弹性力学理论和试验结果,分析油页岩热破裂的起裂机制。结果表明:油页岩在低于300℃的低温段内,热破裂主要由热应力引起,裂纹主要沿层理方向胶结面发生,起裂的条件是热应力大于油页岩的强度极限;温度高于300℃后,在热应力和热分解化学反应的共同作用下,油页岩中的裂纹广泛发育,起裂条件是油母质化学分解反应所产生的扩张压力大于岩石的临界扩张压力;油页岩在两种起裂机制的作用下,最终在600℃时形成相互连通的裂隙网络,汇聚为油气的渗流通道,为油页岩的原位开采提供了可行性条件。

关键词：油页岩热破裂裂隙起裂机制温度

压剪荷载下含单一裂隙砂岩的应变演化与破坏特征研究

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岩石力学与工程学报 2023年第7期42卷 1743-1758页

作者：陈家嵘周昌台周韬朱建波谢和平深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518060 深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060 四川大学水利水电学院四川成都610065

对含单一预制裂隙砂岩试样开展压剪试验研究,借助数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术记录并分析了加载过程中不同裂隙倾角砂岩试样的应变演化过程,从理论层面推导压剪荷载下翼裂纹起裂位置判据,结合扫描电镜(scanning ele... 详细信息

对含单一预制裂隙砂岩试样开展压剪试验研究,借助数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术记录并分析了加载过程中不同裂隙倾角砂岩试样的应变演化过程,从理论层面推导压剪荷载下翼裂纹起裂位置判据,结合扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)技术分析不同破坏断口的微观形貌特征。试验结果表明:不同裂隙倾角对岩石峰值压剪荷载有不同的削弱程度,试样的变形演化过程可分为压密段、准弹性段、裂纹扩展与贯通段以及峰后段4个典型阶段;依据裂纹起裂位置及其扩展路径总结了5个典型应变集中区域:翼裂纹、反翼裂纹、次生裂纹及切向和法向边缘应变带。基于DIC技术,对不同裂隙倾角典型试样的关键应变集中区域进行了应变演化分析,发现压剪荷载下裂隙砂岩试样的新裂纹在演化过程中大多受到张拉和剪切共同作用;提出一种用于量化表征裂纹起裂机制中拉剪作用程度的裂纹主导参数(crack dominate parameter,CDP),结果表明随着裂隙倾角的增大,反翼裂纹起裂机制中的剪切作用逐渐弱化,而次生裂纹的剪切程度逐渐增强;当倾角大于30°时,翼裂纹拉–剪混合起裂机制逐渐明显。基于最大环向应力理论,提出压剪荷载下翼裂纹起裂位置理论判据,且理论预测值与试样结果相吻合。SEM分析结果表明:当预制裂隙倾角从0°增大至30°时,翼裂纹微观断口形貌特征从粗糙变为相对光滑,而反翼裂纹、次生裂纹和边缘裂纹微观断口形貌则分别呈层状、平行状及条状形式。该研究结果有助于促进对裂隙岩体在压剪联合作用下的裂纹扩展与宏细观破坏特征的了解。

关键词：岩石力学压剪荷载应变演化起裂机制数字图像相关技术裂纹主导参数

加载速率影响下裂隙红砂岩力学特性及裂纹损伤演化机制

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加载速率影响下裂隙红砂岩力学特性及裂纹损伤演化机制

作者：唐文福南华大学

学位级别：硕士

红砂岩作为土木工程地基基础中常见的一种天然承载体的岩石材料。其在工程实际中受到开挖扰动(爆破震动和开挖掘进速度等)的影响,从而引起岩体系统内部微-宏观损伤演化的差异。同时,红砂岩内部赋存不同状态的复杂缺陷,是影响岩体工程安... 详细信息

红砂岩作为土木工程地基基础中常见的一种天然承载体的岩石材料。其在工程实际中受到开挖扰动(爆破震动和开挖掘进速度等)的影响,从而引起岩体系统内部微-宏观损伤演化的差异。同时,红砂岩内部赋存不同状态的复杂缺陷,是影响岩体工程安全的重要因素。因此,本文考虑了开挖扰动引起的荷载速率变化及红砂岩内部缺陷的影响,预制8种倾角裂隙红砂岩试样,开展5级加载速度影响下裂隙红砂岩的单轴压缩及声发射试验,分析其力学特征、裂纹扩展及能量演化特征。成果可为工程实际岩体安全稳定性评估提供参考,为岩石力学试验加载速率选取提供依据。研究的主要内容和结论如下:(1)通过开展应变率为(10/s、10/s和10/s)的裂隙红砂岩单轴压缩试验,其力学特性均具有加载速率强化效应。红砂岩在应变率为10/s级内力学强化效应不明显,室内试验加载速率选取建议控制应变率在10/s级内。(2)通过对裂隙红砂岩的声发射振铃计数进行统计分析,其破坏过程的声发射振铃计数演化具有临界特性。从开始加载至第一临界点(累计振铃计数首次徒增点)的时间随倾角的增大而变长,说明裂隙岩样进入临界态的时间滞后性增强;从第一临界点至第二临界点(累计计数大幅徒增点)的亚临界态时间随倾角增大而缩短,较小倾角裂隙岩样更利于破坏预测。(3)根据裂隙岩石在单向应力状态下裂纹类型和破坏模式的分类方法及裂纹起裂角的分析。本试验发现裂隙红砂岩共出现翼型、反抗拉、共面次级、非共面次级、横向及远场6种类型裂纹。表面裂纹数目随应变速率级数的增大而减少。裂隙红砂岩的极限破坏模式呈现3种9类型破坏,倾角的增大促使裂隙体从S型向T型和M型破坏模式转变,随加载速率增加岩样破坏模式由T型拉伸破坏逐渐向S型剪切破坏过渡。当裂隙倾角为0°时,起裂角为85°,倾角增大至90°时,起裂角为1°～2°,基于最大畸变能准测对红砂岩裂纹起裂角的计算与实验值吻合度较高。(4)根据热力学第一定律,考虑加载速率和裂隙倾角的影响,对裂隙红砂岩加载全过程的应变能变化特征进行分析。加载速率的变化对岩石应变能演化的影响不明显,但裂隙倾角对应变能演化的影响较大,同一加载速率下,较小倾角(=0°、15°和30°)、中等倾角(=45°和60°)和较大倾角(=75°和90°)岩样耗散能徒增次数分别为3次、2次和1次,说明较小倾角岩样更利于破坏预测。(5)单轴应力状态下,裂隙红砂岩声发射累计能量在压密阶段增长较快,但进入线弹性阶段几乎未产生声发射事件,处于很长的一段平静期,临近峰值应力时累计能量呈阶梯式激增,且阶梯数随裂隙倾角的增大而减少,其累计能量与时间的关系符合Boltzmann函数分布特征。随裂隙倾角的增大,Boltzmann函数在临近峰值应力处分布越陡,较高能量声发射事件发生的时间跨度越短,岩爆倾向性增强。(6)基于连续损伤力学原理,建立了裂隙红砂岩以声发射累积能量表征的损伤模型,且模型的验证与试验结果吻合度较高。分析了损伤参量的物理意义,bt值代表裂隙红砂岩大规模能量释放的时间位置,且倾角从0°增大至90°的增大,bt从0.88逐渐增大至0.97;c值表征裂隙红砂岩能量释放的快慢且随倾角的增大,c值由36.25减小至5.35,表明裂隙红砂岩能量储存时间不断增长,能量释放由小规模多阶段释放转向大规模瞬态释放。

关键词：岩石力学裂隙红砂岩加载速率力学特征裂纹扩展起裂机制

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致密砂岩储层力学行为及水力压裂性能研究

致密砂岩储层力学行为及水力压裂性能研究

作者：尹彬瑞西南科技大学

学位级别：硕士

砂岩气是一种清洁,高效的非常规天然气资源,随着常规油气资源勘探开发逐渐进入瓶颈阶段,砂岩气的开采俨然成为解决能源危机、缓和温室效应和完成“碳达峰”、“碳中和”的重要战略。然而,我国砂岩气储层的地质条件较为复杂,物性较差、... 详细信息

砂岩气是一种清洁,高效的非常规天然气资源,随着常规油气资源勘探开发逐渐进入瓶颈阶段,砂岩气的开采俨然成为解决能源危机、缓和温室效应和完成“碳达峰”、“碳中和”的重要战略。然而,我国砂岩气储层的地质条件较为复杂,物性较差、非均质性强、储层渗透性低、埋深差异大等特点,导致了施工成本高,开采难度大等特点,因此针对我国砂岩气的赋存特点,迫切需要探索一套适合我国砂岩气压裂开采的理论。本文以渤海湾盆地的致密砂岩为研究对象,围绕着砂岩储层力学行为及水力压裂性能问题,模拟了不同地层条件和实时温度下的三轴压缩试验、渗透试验和水力压裂室内试验,研究了不同地层条件下致密砂岩渗透率演化规律、力学行为、脆性特征及破坏机制;分析了压裂曲线随地层条件的变化规律、破裂形态特征、裂缝扩展规律;明确了温度和围压对砂岩破坏机制的控制作用;揭示了破裂压力与渗透率和滤失系数之间的关系。此外,对压裂后的破裂面进行了3D扫描,借助Matlab软件编写了粗糙度计算程序,对水力压裂后的破裂面进行了量化分析,研究了温度和围压对粗糙度的变化规律,解释了粗糙度变化对产能的影响。最后,基于强度准则和裂纹扩展准则,引入了轴对称力学模型,分析了压裂过程中弹性区和塑性区的应力变化情况,探讨了破裂压力与脆性指数、塑性半径和井筒大小的关系,揭示了砂岩的起裂与扩展机制。该成果旨在为我国致密砂岩气开采提供一定的理论参考,主要内容如下:(1)研究了砂岩渗透率随不同渗透压和围压的演化规律,试验结果表明:渗透率随围压的增加而增加。在围压的作用下砂岩会发生弹性和塑性变形,弹性变形在卸载后可恢复,导致了卸载时渗透率增加,而不可恢复的塑性变形导致了渗透率并不会回到初始值,在不同的渗透压下出现了不同程度的损伤。(2)对砂岩在不同温压耦合条件下的破坏模式进行了统计,分析了砂岩破坏模式的变化规律。研究表明:随着围压水平的增强,砂岩的脆性逐渐降低,岩石破坏模式逐渐从张拉破坏向张-剪复合或单一剪切面破坏形式过渡,而温度的作用会导致岩石颗粒内部粘聚力降低,在荷载作用下更容易发生变形。(3)在水力压裂试验中,破裂压力随围压的增加而增加,随温度的升高而降低。第一次破裂压力最大,然后依次减小,第三次破裂压力接近围压值。低温条件下围压控制作用较强,而高温时,围压控制作用出现衰减,砂岩的应力降与压裂顺序和压裂次数无关,与破裂压力规律相似,第一次应力降η>第二次应力降η>第三次应力降η。(4)对砂岩压裂后的裂缝扩展分布规律进行了分析,研究表明:在低温低压条件下,砂岩内部孔压不足以开启层理弱面,在砂岩侧面上主要表现出垂直于小主应力方向的贯穿于岩石表面的单裂缝,在岩石端面上主要表现出对称的双向裂纹;而在高温高压条件下,内部施加的孔压足以开启层理弱面,水力裂缝在起裂与扩展过程中,碰到层理弱面后裂缝尖端会转变扩展方向,沿层理弱面发生扩展,或者延原方向和偏转方向同时扩展。(5)基于统一强度理论,建立了水力裂缝起裂模型,将岩石的脆性指标引入了起裂模型中,推导了水力裂缝破裂压力和脆性指标的理论公式,分析了影响破裂压力与脆性的因素。研究结果表明:破裂压力与脆性指标的理论值与试验值基本吻合。(6)使用粗糙度指标对破裂面进行量化研究,分析了温度和围压对破裂面的影响,研究表明:在低温低压条件下,岩石破裂面较为光滑,平整度较高,而在高温高条件下,破裂面具有明显的锯齿状。破裂面粗糙度指标均与岩样温度和围压表现出正相关趋势。温度的作用会诱导砂岩产生更多的微裂纹与孔隙,对于温度高的砂岩气储层,其更容易产生复杂的裂隙网络;围压的作用下使砂岩在侧向上有束缚作用,致使砂岩内部破裂时需要更大的破裂压力,砂岩峰前累积的能量增加,破坏时能量瞬间释放引起破坏程度加剧,致使破裂面更为粗糙。

关键词：致密砂岩力学性质水力压裂起裂机制粗糙度

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盐岩地下储库围岩界面变形与破损特性分析

岩土力学 2013年第6期34卷 1621-1628页

作者：刘伟李银平霍永胜施锡林徐宝财杨春和林永杰中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071 中国石油西气东输管道公司江苏常州213251 中国石油西气东输管道公司储气库项目部江苏镇江212300

鉴于盐岩地下储库界面对储气(油)库稳定性和密闭性的重要影响,分别从细观和宏观方面对其变形与破损特性开展研究。细观方面:开展含界面盐岩的电镜扫描试验,分析表明:盐岩与夹层界面处颗粒结合紧密、相互嵌合,胶结良好,为储库密闭性提供... 详细信息

鉴于盐岩地下储库界面对储气(油)库稳定性和密闭性的重要影响,分别从细观和宏观方面对其变形与破损特性开展研究。细观方面:开展含界面盐岩的电镜扫描试验,分析表明:盐岩与夹层界面处颗粒结合紧密、相互嵌合,胶结良好,为储库密闭性提供有利条件。宏观方面:基于复合岩体理论构建层状盐岩交接界面的应力表达式,进而分析界面的变形及破损特性。分析表明,界面附近应力状态极为复杂,硬夹层对盐岩体具有约束锚固作用,且界面处易产生应力集中,进而诱发储库围岩体裂纹扩展直至破坏。综合细观、宏观分析表明,裂纹起裂机制和渗透通道形成是界面的细观结构特性及其应力状态共同影响的结果。研究成果为进一步分析地下盐岩储库的稳定性和密闭性提供一定参考。

关键词：层状盐岩界面电镜扫描应力集中起裂机制渗透通道

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页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

煤炭学报 2017年第4期42卷 969-976页

作者：李存宝谢和平谢凌志四川大学能源安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065 四川大学建筑与环境学院四川成都610065 四川大学新能源与低碳技术研究院四川成都610065

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩... 详细信息

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。

关键词：页岩起裂应力裂纹损伤应力压剪裂纹起裂机制

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龙马溪组页岩脆转延特性及水力压裂性能研究

龙马溪组页岩脆转延特性及水力压裂性能研究

作者：唐伟西南科技大学

学位级别：硕士

深部页岩勘探与开发俨然成为缓解我国能源危机、保障国家能源安全的重要战略。然而地球深部面临“三高环境”,即高地应力、高古地温,高岩溶。与浅部页岩储层相比,深部页岩气藏构造更为复杂。针对其基本力学性质,主要涵盖岩石破坏模式及... 详细信息

深部页岩勘探与开发俨然成为缓解我国能源危机、保障国家能源安全的重要战略。然而地球深部面临“三高环境”,即高地应力、高古地温,高岩溶。与浅部页岩储层相比,深部页岩气藏构造更为复杂。针对其基本力学性质,主要涵盖岩石破坏模式及强度特征,国内外学者展开了许多尝试性研究。但关于深部岩体脆-延转化的定义,并没有达成共识,且深部页岩气储层脆-延转换机制尚不明确、对储层可压裂性能的认识尚不完善,相关研究亟待开展。本文以四川盆地及其周缘志留系龙马溪组页岩为研究对象,围绕深部页岩储层脆转延特性及可压裂性问题,深化对页岩储层地应力状态的认识,通过模拟深部地层条件下的岩石力学试验(主要包括单轴应变试验、室内三轴及水力压裂试验),在静压力条件下开展对页岩剪切塑性流动阶段的室内测定工作,分析金属套桶“约束效应”对页岩力学特性及弹塑性状态的影响,进而探索页岩力学特性的演化机制,基于此,揭示了深部页岩的脆-延转化机理,从而建立页岩脆-延转化数学经验模型。此外,基于岩石失效破裂全过程的物理意义形成了脆性评价方法,明确其脆性特征与失效机理、强度成分、溶胀压力之间的关系,进而揭示页岩脆性特征的影响规律。最后,分析了破裂压力、应力降、泵压曲线以及压裂形态与地层条件的关系,并引入轴对称模型力学模型,揭示深部页岩起裂机制。该成果旨在为我国深部页岩储层的产能预测及“甜点区”的选择提供重要的技术支撑,主要内容如下:(1)地应力场状态的转变可用三向受压状态下的岩石经典强度准则与理论来描述。在弹性区段,其脆性失效破坏特征遵从摩尔-库伦定理。在剪切塑性流动阶段,其屈服条件与Henky和vonMisis最初提出的塑性理论相吻合。(2)本文从岩体单元八面体失效的角度先给出了页岩脆塑状态转化的数学经验模型,数学表达式如下:脆延转化上限:σ=2.91K脆延转化下限:σ=2.64K临界主应力比:4裂纹扩展的不稳定度,其对应于子指标BI。总脆性指数BI可以计算如下:BI=BI× BI+BI,其值呈单调变化,范围为C+1裂形态以及破坏主应力比上。(6)在室内水力压裂试验中,从井眼壁面一直沿着径向延伸到试样端侧面,页岩单元的受力模型经历以下阶段:拉压,单向压缩,双向压缩(非等压),静水压状态。

关键词：深部页岩脆-延转化失效模式可压裂性脆性特征起裂机制

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基于FLAC3D节理岩体单轴压缩数值模拟

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