液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验

液氮作用于高温岩石能够损伤致裂岩石,因此可用于提高干热岩地层的钻井和压裂效率。为研究液氮快速冷却高温岩石对其物理和力学性质的影响规律,分别采用液氮冷却和自然冷却对不同温度(25～600℃)的干燥花岗岩岩样进行处理,通过对比两种处理方式下岩样的声波速度、渗透率、抗拉及单轴抗压强度的差异,得到液氮冷却对高温花岗岩的损伤特性。结果表明:液氮冷却可有效损伤高温花岗岩;对于实验中150～600℃的花岗岩,经液氮冷却产生的损伤能使其波速降低4.13%～10.04%,渗透率提高0.21～182.80倍,抗拉强度降低4.95%～34.54%,抗压强度降低13.95%～29.30%,弹性模量降低7.33%～45.74%;冷却前岩石温度越高,冷却过程中产生的热应力越大,冷却损伤程度越大。     

液氮对页岩的致裂效应及在压裂中应用分析

为研究液氮对页岩的致裂效应,对同一页岩岩样在液氮冷却处理前后进行超声波和渗透率测试,并对比岩样表面的变化情况,分析液氮对岩石的致裂机制和影响因素,并讨论液氮压裂技术在页岩气开发上具有的优势及其应用前景。试验结果表明:经过液氮冷却后,页岩表面有明显的热力裂缝产生,液氮能够对页岩产生显著的致裂效果;液氮低温作用能够促进页岩内部微裂纹的扩展,提高孔隙结构的连通性,使页岩波速降低、渗透率增加;试验中页岩的波速最大降幅为10.43%,渗透率最大增幅为177.27%。     

三轴应力下饱和水砂岩动静态弹性参数的试验研究

建立了一套试验装置，以解决含水岩样变形的电阻应变片测量问题，并实现有孔隙压力的三轴应力下饱和水岩样纵、横波速度和变形的同步测试，通过时８块砂岩岩样的测试，初步得出了饱和水砂岩波速和动静态弹性参数随应力状态变化的基本规律，给出了岩石静态弹性模量和静态泊松比随岩石密度、孔隙度和围压等参数变化的多元线性回归关系式，并对动、静态弹性参数间的关系进行了初步分析。     

三轴应力下饱和水砂岩动静态弹性参数的试验研究

建立了一套试验装置，以解决含水岩样变形的电阻应变片测量问题，并实现有孔隙压力的三轴应力下饱和水岩相纵、横波速度和变形的同步测试，通过了８块砂岩岩样的测试，初步得出了饱和水砂岩波速和动静态弹性参数随应力状态变化的基本规律，给出了岩石静态性模量和静态泊松比随岩石密度、孔隙度和围压等参数变化的多元线性回归关系式，并对动、静态弹参数间的关系进行了初步分析。     

液氮冷却作用下三类高温岩石力学性能试验研究

为了研究液氮冷却对高温岩石物理力学性能的影响，对不同温度下(25~350℃)的花岗岩、片麻岩和砂岩试样进行液氮冷却处理，开展了一系列的物理力学试验研究，结合微观观察结果分析了各类岩石的损伤机理.结果表明，提高加热温度能够加剧液氮对岩石内部结构的损伤，随温度的升高，岩石的孔隙率、峰值应变逐渐增大，而纵波波速、抗压强度和弹性模量则相反.高温和液氮冷却所产生的热应力导致岩石内部裂纹的萌生和扩展，且微裂纹主要沿石英矿物边界发育.随着加热温度的升高，微裂纹的数量呈逐渐增加的趋势，这是岩石宏观特性退化的主要原因.三类岩石对加热和液氮冷却处理的敏感度不同，这与岩石在成岩作用、矿物成分、胶结类型以及孔隙结构方面的差异有关.     

水分及冻融环境下岩石抗拉力学特性

对红砂岩和页岩2种岩石进行干燥、饱水及开放系统下的冻融循环试验,并对各种状态下的岩样进行巴西试验及抗拉强度测试的有效性分析;分析了岩石的损伤劣化及破坏行为,系统研究了岩性、水分及冻融循环作用对岩石抗拉力学特性的影响,并对岩石抗拉压特性的同一性和差异性进行比较.研究表明：水分对岩石内部微观结构产生影响,削弱了岩石颗粒间的连结力;冻融作用产生的冻胀力与孔隙水压力导致岩石内部出现局部损伤;在水分及冻融循环的作用下,岩石抗拉强度及弹性模量显著降低,红砂岩反映更敏感;损伤不仅受岩石内部缺陷随机分布的影响,更重要的是受应力状态的影响,在拉应力作用下岩石缺陷对强度降低特别敏感.     

基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律

为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性,制备干燥、半饱和、饱和3种不同含水状态的砂岩试样.采用分离式霍普金森压杆(SHPB),以4种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验.通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描,获取岩石孔隙的T2谱曲线、孔隙度以及孔隙成像等数据.通过试验发现:(1)冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增大;(2)不同含水状态的岩石受到冲击后,孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加;(3)与冲击前相比,岩石的T2谱曲线有明显右移趋势,同时出现谱峰增加的现象,而且冲击能量越大,孔隙谱峰增加越明显;(4)核磁共振成像显示岩石孔隙数量和尺寸有明显的增加,展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程.     

多场耦合作用下砂岩渗透率演化规律

在不同温度和孔隙水压条件下,研究砂岩三轴压缩过程中渗透特性的演化规律,研究多场耦合作用下岩石渗透率与力学性质的演化规律,结合CT技术从细观角度进行验证温度和水对裂隙损伤演化的影响。研究结果表明:渗透率随着岩样的变形而变化,其变化趋势与岩样受载变形破坏的发展阶段相对应。三轴压缩状态下,渗透率对轴向力和径向变形密切相关。温度的作用降低了峰值强度、残余强度和切线模量,增大了泊松比。孔隙水压和温度的作用增大了岩体塑性,损伤减小。由于孔隙水压的增大使得有效应力减小,水楔作用、润滑作用和软化作用的存在,相同温度条件下,峰值强度、残余强度和切线模量随之减小,泊松比增大。孔隙水压的提高造成了更大的渗透率。温度的升高导致渗透率降低。     

比表面积及孔径对花岗岩力学性质影响

为研究花岗岩内部结构对其物理力学性质的影响,利用氮吸附原理的比表面积及孔径分析仪测得两种花岗岩的比表面积和孔径分布情况,对比分析了两种花岗岩的密度、孔隙率等物理性质及单轴压缩强度,发现由比表面积和孔径表征的岩石孔隙结构更能合理的解释其宏观力学行为。试验结果表明:比表面积较大的岩样强度较低。比表面积较大的岩样加剧了岩样在加载过程中微裂隙的发育,使试样的力学性能降低;孔体积较大的岩样的强度较低。岩样内部孔隙的存在加剧了内部微裂隙的发育。随着轴向压力的不断加载,这些孔隙被压缩,有的成为了微裂隙发育的通道、有的成为新裂隙产生的起源。这些微裂隙不断延伸、扩张、贯通最终使得试样在压力的作用下破坏;利用排水法测得的孔隙率不能完整的反映岩样内部孔隙的发育状态,而通过氮吸附静态容量法测得的孔体积能够较为完整的反映岩样中孔隙的发育状态。比表面积及孔径分析测试更为准确地得到岩石内部的孔隙结构,测试结果对花岗岩的宏观力学行为做出了合理解释。     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

周期荷载作用下冻融裂隙砂岩变形破坏机理

为研究裂隙岩体在冻融与周期荷载作用下的变形破坏机理,采用宏观周期荷载试验与细观核磁共振试验以及颗粒流数值模拟相结合的方法,对不同冻融循环次数作用下裂隙砂岩的宏细观破坏机理进行研究。结果表明：冻融次数的增加使裂隙砂岩强度降低,破坏时扩容现象加剧,细观尺度上表现出孔隙尺寸及数量增加;冻融及周期荷载耦合作用使裂隙砂岩破坏裂纹发展多且复杂,破坏程度更严重,细观表现为T2谱峰总面积变化率增幅更加显著、大尺度孔隙占比增加;周期荷载作用下裂隙砂岩的变形曲线趋势可作为判断疲劳强度门槛值范围的依据,获取变形预警值;颗粒流模拟结果说明,周期荷载作用下裂隙砂岩的新的裂纹在预制裂隙尖端处集中萌生并以翼裂纹为主要扩展模式,围压作用下裂隙砂岩的破坏模式更趋向于剪切张拉复合型破坏。研究结果可为寒区裂隙岩体边坡稳定性评价及灾害防治提供参考。     

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.     

东胜气田致密砂岩储层渗流机理

致密砂岩气藏渗流阻力大,废弃压力高,采收率低,含水饱和度影响显著,明确致密砂岩储层气体的渗流机理对于气藏的有效开发具有重要意义。选取东胜气田致密砂岩储层样品100余块,开展了孔渗测试及其相互关系与分布特征分析;进行了致密砂岩储层在不同含水饱和度下的气体渗流特征实验,计算了单相气体及不同含水饱和度下气体渗流的滑脱因子;测试了样品在不同驱替压力下的气水两相相对渗透率曲线。实验研究结果表明：东胜气田致密砂岩储层覆压渗透率约为常压下测得的标准渗透率的1/10,且普遍低于0.1mD,孔隙度偏低;滑脱效应受渗透率、孔隙压力、含水饱和度影响明显;干岩心气体临界流态特征明显,小于0.1mD岩样渗流特征曲线为线性,大于0.1mD岩样非线性特征明显;含水饱和度对于渗流特征曲线影响显著,随着含水饱和度增加,气体渗流由气态渗流过渡到液态渗流,气相渗流滑脱效应逐渐变弱;驱替压差对残余水饱和度影响大,控制气藏生产压差,防止大压差驱动储层水,导致气井大量产水。渗流机理研究对于东胜致密砂岩含水气藏的合理、有效开发具有重要的基础理论支撑作用。     

基于压汞试验及氮气吸附试验下柳州红黏土微观结构分析

土体微观结构是影响其变形破坏、强度等特性的内因,为探究土中孔隙分布特点,针对柳州红黏土的原状样和重塑样进行压汞试验、氮吸附试验,通过探究发现：红黏土中发育有大小不一的团粒,由于游离氧化铁的胶结作用,团粒内部具有高的稳定性,在一般的荷载作用或扰动下不会发生破坏,且团粒内部存在大量尺寸较小的孔隙,与团粒间孔隙一起构成红粘土的孔隙空间;红黏土中孔径分布的双峰结构非常明显,团粒内的孔隙由于强胶结作用而保持稳定。不同制样方法形成的土体的团粒内孔隙是稳定的,重塑土样相对原状土样,孔隙体积更大,结构松散;压汞试验孔隙测量比较全面,含盖广,包括了大孔隙和微孔隙,整体孔隙分布和孔隙累积体积展示清晰,而氮气吸附试验更侧重于微孔隙体积的测量,且测量精确度高,故两者结合能更为详细、精确。     

基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征

为研究沁水盆地中高煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮吸附实验测定了不同煤样比表面积及孔径分布数据,依据吸附-解吸曲线和分形维数对煤岩孔隙系统进行分类.结果表明:煤层微小孔较发育,具有比表面积适中(0.418～0.902 m2/g)、平均孔径小(14.6～21.0nm)、孔容小(0.001 86～0.004 53 cm3...     

液氮溶浸煤致裂的机理研究

为分析液氮作用下煤的致裂机理,对原煤煤样开展了液氮溶浸实验。利用激光显微镜观测液氮溶浸前后煤样的原生裂隙扩展和新裂隙萌生情况,利用断裂力学理论分析液氮溶浸下煤样原生裂隙的扩展机制。研究结果表明:1)液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中,当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时,煤样原生微裂隙扩展;2)温度拉应力使得原生裂隙周围强度不大的颗粒团拉破坏、脱落,破坏了煤样的结构,并引起新的微裂隙萌生;3)液氮作用时间对应力强度因子有很大的影响,随着作用时间增加,温度梯度增大,裂隙的应力强度因子增加,煤更易发生断裂。     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.