油水含量对疏松砂岩断裂韧性的影响

为研究油水含量对砂岩断裂韧性的影响,提出了一种新的砂岩试件油水饱和方法,并通过三点弯实验测试了不同油水含量下砂岩的断裂韧性。研究发现:当砂岩孔隙中仅含有一种饱和流体时,饱和油砂岩的断裂韧性比饱和水砂岩的断裂韧性大;当试件中含有两种饱和流体时,油水混合试件的断裂韧性介于饱和油、饱和水试件的断裂韧性之间;饱和油、饱和水及油水混合砂岩试件的断裂韧性比干燥试件断裂韧性低10%~50%。微观角度上,从吸附作用、水化作用、黏土膨胀和毛细管力等方面分析了油水含量对砂岩断裂韧性的影响;水化作用比毛细管力对砂岩断裂韧性的影响显著。宏观角度上,基于应力-应变曲线对砂岩断裂过程进行了能量耗散分析;所有试件均有能量耗散,耗散能量比为5%~30%;干燥试件的能量耗散比低于油水混合试件的能量耗散比,平均低约10%。     

循环加卸载下砂岩能量演化特性分析与损伤表征

为探究饱和及干燥砂岩在加卸载过程中的能量演化与耗散特征,以西部砂岩为研究对象,开展常温下饱和及干燥砂岩单轴循环加卸载试验,通过能量法分析不同状态下砂岩弹性模量、泊松比、能量密度与循环次数之间的关系。结果表明：干燥及饱和砂岩在加载阶段和卸载阶段的弹性模量、泊松比均随加载次数的增大而增大,在相同卸载次数下干燥砂岩的弹性模量、泊松比均大于饱和砂岩;干燥及饱和砂岩的能量储存率随着循环次数先增大后减小,耗散比则相反,由于浸水软化饱和砂岩的能量密度拐点略迟于干燥砂岩;通过累计耗散能变量定义干燥及饱和砂岩的损伤特征,其损伤变量D值与循环次数变化规律相类似均呈下凹曲线。     

循环载荷下干燥及饱和砂岩的变形及声发射特征

对取自陕西榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥和饱和试件进行单轴循环加卸载试验及声发射监测,分析了不同含水状态岩石的强度以及变形特征、声发射特征和加卸载响应比变化情况.结果表明,水对上述性质具有显著影响:饱和试件强度和滞回环数量均低于干燥试件,压密阶段轴向应变比干燥试件增加18.9%,峰值强度前轴向应变比干燥试件降低17.4%,干燥和饱和试件在循环加载过程中弹性模量均有增大趋势;干燥试件在整个加卸载过程中声发射能量累积为3.87×10-11J,饱和试件声发射能量累积为2.58×10-11J,仅为干燥试件的66.67%;干燥和饱和试件的加卸载响应比呈现类似的变化规律,但饱和试件的加卸载响应比峰值特征时间比干燥试件短,宏观裂纹形成得更早.     

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。     

二氧化碳压后焖井过程中含弱面致密砂岩断裂特征

二氧化碳(CO2)压后焖井是致密砂岩储层补充地层能量的一种关键技术,同时也能使得已有裂缝发生扩展。致密砂岩储层中,弱面(如层理、天然裂缝)广泛分布,CO2可与砂岩发生物理、化学反应,进而影响储层稳定性及裂缝的复杂程度。本文以鄂尔多斯盆地含3种角度(0°,45°和90°)弱面性层理的致密砂岩为实验材料探究CO2对弱面性层理试件断裂特征的影响。首先,将试件分为两组,一组采用超临界CO2(SC-CO2)饱和30天,另一组仅置于大气条件下不做处理;随后通过三点弯实验测试相应试件的断裂韧性,并结合声发射技术监测试件断裂过程中声发射信号的演化规律。研究表明：CO2作用使得含弱面性层理致密砂岩试件的断裂韧性降低约40%;CO2作用使得试件初始损伤阶段提前,损伤扩展阶段持续时间增长;最后作者从细观损伤力学的角度揭示了CO2影响含弱面性层理致密砂岩断裂韧性及裂缝扩展规律的作用机理。本研究以期提高含弱面性层理的致密砂岩储层在CO2压后焖井过程中岩石断裂行为的认识。     

冲击地压“能量关键层”确定实验研究

以煤、粗砂岩和细砂岩3种岩石试件单轴压缩实验为基础,对自主构建的组合试件进行单轴压缩实验,探讨组合试件破坏前能量积聚情况,研究能量积聚规律,确定"能量关键层"。结果表明:二元组合中,FCF、CFC、GCG、CGC试件中煤层积聚能量分别占总能量的88.5%、79.0%、71.4%和79.6%,FGF、GFG试件中粗砂岩的能量占总能量的61.2%和76.5%;三元组合体中,FGCF、GCFG、CFGC试件中煤层积聚能量分别占总能量的79.8%、74.0%和76.3%,粗砂岩占12.1%、22.0%、18.8%,细砂岩占8.1%、4.0%、4.9%;组分间硬度差别越大,软弱岩层上的能量耗散也越多。软弱岩层是引发冲击地压能量的主要载体,是冲击地压防治的"能量关键层";各组分硬度差别越大,冲击效应越强;据此提出了直接释能和间接释能两种防冲思路。     

温度对岩石核磁共振弛豫影响的实验研究

温度是影响核磁共振测井的一个因素,储集层的温度通常可高达100℃以上,与室温相差很大,所以有必要研究温度对岩石核磁共振弛豫的影响。本文对一组饱和水或油的人造碳化硅、人造碳酸钙、天然贝瑞砂岩以及天然碳酸盐岩样品进行了核磁共振变温实验,利用工作频率为2MHz的Maran2核磁共振仪器进行实验,实验温度从25℃到60℃,结果表明:对饱和水的砂岩和碳酸盐岩,温度对岩石NMR弛豫的影响不同;饱和水的人造碳化硅和天然贝瑞砂岩的核磁共振弛豫时间随温度升高而减小,表现为反常的温度关系;而对于饱和水的人造碳酸钙和天然碳酸盐岩都表现为正常的温度特性,即弛豫时间随着温度的升高而增大。对于饱和油的贝瑞砂岩和碳酸盐岩样品,其NMR弛豫时间随温度升高而增大。实验证明,温度对不同孔隙介质流体弛豫的影响在实际核磁共振测井中应该予以考虑。     

不同初始含水率下砂岩冻融劣化特性试验研究

天然岩体在温度、水分变化的基础上发生冻融循环,引起岩石微观损伤、冻融碎裂以及破坏失稳等劣化现象,是中西部寒冷地区岩体的主要风化过程。将取自云冈石窟砂岩分成干燥组、饱水组、饱和度对比组进行冻融试验研究,得到试验前后云冈石窟砂岩吸水率、纵波波速、单轴抗压强度等变化参数。结果表明:砂岩饱和度30%时,变化参数基本不受冻融作用影响;砂岩饱和度为30%~70%时,变化参数开始受冻融作用影响;砂岩饱和度70%时,变化参数出现突变现象。定义饱和S=70%为云冈石窟砂岩冻融损伤的"阈值"。     

油水比对油基钻井液流变性的影响*

钻井过程中由于地层水侵入导致油水比的变化对钻井液流变性的影响是非常值得研究的。主要采用M3600自动流变仪分别测出不同油水比(2∶8/3∶7/4∶6/5∶5/6∶4/7∶3/8∶2)的油基钻井液在不同温度(30℃、60℃、90℃)下的各流变参数。以此判断,当发生水侵时油基钻井液油水比变化引起流变性能的变化。实验证实:当油水比大于1时,油基钻井液属于塑性流体;当油水比小于1时,油基钻井液更倾向于假塑性流体。同一温度下,随着油水比的不断降低,油基钻井液的剪切应力、黏度以及静切力都升高。同一油水比的油基钻井液温度越高,剪切应力、黏度、静切应力都越小。随着油水比的不断降低,油基钻井液的破乳电压不断降低,即稳定性不断变差。     

不同材料对水源水石油类物质的吸附性能研究

分析了传统吸油材料对饮用水水源中石油类污染物质的去除效能。通过对比市面上常用的4类共8种吸油材料对不同油品的吸附容量发现，饱和吸附容量最大的是棉花，最小的是蛭石；吸附材料PP吸油棉的纯相油类的饱和吸附容量为9.0~13.0 g·g^-1，保油性根据油品不同30 min的保油率大致为60%~70%；PP吸油棉对油水混合物中石油类物质的吸附完全属于物理吸附，吸附动力学符合拟一级动力学模型，10 min能达到60%~70%的去除率，120 min能达到80%~90%的去除率；影响吸附速率的关键因素是吸油棉与含油水的接触面积，覆盖面积越大吸附效果越好。     

水岩作用下砂岩断裂韧度及抗拉强度的试验研究

为了解在考虑时间效应的水岩作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水变幅带砂岩为研究对象,设计紧凑的实验方案,对周期性饱水-风干循环状态和长期饱水状态下的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验.试验结果表明:在水岩作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且随着浸泡时间的增加,软化效应呈先增大后稳定的趋势.同时,在同一周期内砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度有相近的软化系数,契合岩石的抗拉强度和断裂韧度存在较好的相关性.最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与试验数据的比较,验证了公式的可行性.研究成果对水岩作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关性有一定的参考价值,为通过砂岩抗拉强度预测估算断裂韧度提供了便利,同时也可为其他类型岩石的相关研究提供参考.     

水附着状态下奥贝球铁断裂韧性的脆化行为

研究了水附着状态下奥贝球铁(ADI)断裂韧性的脆化行为．研究结果表明，干燥状态下ADI具有较高的断裂韧性，但水附着状态下ADI的弹塑性断裂韧性JIc降至干燥状态下的20％以下，发生显著的脆化行为；断裂韧性的脆化与试样水浸泡履历无关，长时间(480h)水浸泡试样经再干燥后，其断裂韧性恢复到原有水平．裂纹尖端附着的水在ADI基体塑性变形时分解放出氢，氢扩散至试样的内部使ADI基体中的应力诱变马氏体发生氢脆，导致了ADI断裂韧性的脆化．     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了 Ⅰ 型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.     

重庆合川地区须二段岩石断裂韧度

探讨重庆合川地区上三叠统须家河组第二段储层岩石在水力压裂过程中的裂纹扩展特性。通过50 kN电子伺服试验机及“人”字形切槽巴西圆盘试件对须二段致密砂岩进行断裂韧度实验研究,获得Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧度的数据,并对断裂韧度的特征及其与岩石力学参数的关系进行分析。结果表明须二段砂岩轴向和径向上的Ⅰ型断裂韧度都小于Ⅱ型断裂韧度。随着砂岩粒度的增大,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度都逐渐减小,且与弹性模量、抗压强度、抗张强度及内聚力呈现较强的正相关性。Ⅰ型张开型的裂缝扩展特征和贯通程度要比Ⅱ型滑开型的简单且破坏较弱,若岩样中含有纹层等弱的岩石力学结构面,岩样的裂纹扩展样式更加复杂,断裂韧度测试值也相应地减小。合川地区须二段砂岩在纵向上进行压裂作业时,更容易在纵向上形成延伸较远的纵张裂缝。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

液氮压裂中液氮对岩石破坏的影响试验

为了研究液氮对岩石破坏的影响,在理论分析的基础上,借助核磁共振测试技术,通过测试所选取的砂岩岩样孔隙体积及孔隙结构的变化,研究液氮对干燥状态和饱和水状态岩样的破坏形式。结果表明:液氮的热力冲击作用可使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小,试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了8.63%和4.78%;冻结作用对饱和岩样的矿物颗粒之间胶结较弱处具有损伤破坏作用,当损伤达到一定程度后,会贯通成缝,使岩体出现断裂现象。