非均质岩体中一维应力波演化过程分析

地下球形药包爆轰后将产生很强的地震波，其传播受到多种因素的影响。把岩石介质的弹塑性帽盖模型耦合到有限差分法程序中，对一维爆轰波在非均质岩石体中的传播、演化机理进行了数值模拟与分析；着重探讨了一维应力波从“硬”岩石层进入“软”岩石层、从“软”岩石层进入“硬”岩石层时，波在形状和强度等方面的变化规律；同时探讨了岩石介质中存在的“软弱夹层”对一维应力波传播的影响。     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

基于强度理论的岩石损伤弹塑性模型

根据单轴受力特性曲线唯象地考察岩石材料损伤演化,定义弹性应变表示的一维损伤变量及其本构模型,利用双剪强度理论将其推广至三维模型.塑性是潜在破坏面的摩擦滑移,在传统塑性理论的框架中,建立了基于摩尔-库仑强度理论与潜在滑移面摩擦软-硬化特性的各向异性损伤弹塑性本构关系.结果表明,计算的损伤演化与CT观测结果符合很好,用本文的弹塑性模型反映损伤材料的力学特性是可行的.     

岩石的损伤软化对应力波传播的影响

针对不含水干岩弹塑性变形的基本特征，考虑岩石的剪胀效应和软化效应，并根据岩石不同变形阶段的特点，给出了不同的屈服面形式和损伤演化方程，建立了岩石的弹塑性连续损伤本构模型．在此基础上研究了一维应变波在岩石介质中的传播规律，揭示了应力波在岩石类脆性损伤软化材料的传播过程中，损伤软化使得材料分为损伤演化区和完全破坏区，应力平台在两区交界面处产生凹陷．这一不稳定的凹陷在传播过程中逐渐消失，因而应力波传播在损伤的作用下经历了一个从不稳定到稳定的演化过程．     

弹塑性非线性渗流耦合问题的一个解析解

在非线性渗流耦合的条件下,研究弹塑性多孔地层中单井抽放问题.建立了问题的基本方程和力学模型;推出了应力和孔隙压力的解析解;得到了确定塑性区半径、弹塑性交界面上的径向应力和孔隙压力的方程;导出了屈服的极限载荷;并进行了实例计算.     

岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.     

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

大功率超声波近井无机垢解堵的动力学机理

利用超声波在含流体储层多孔介质中传播的固/液耦合波动力学理论,大功率超声波解除近井带地层堵塞过程中,超声波在近井储层多孔介质中传播引起岩石骨架弹性形变、孔隙流体与骨架固体弹性错流和孔隙弹性变形引起流体挤压喷射流动等微观动力学特性;超声波作用引起储层多孔介质孔隙半径蠕动变化的动力学特征;超声波作用解除储层多孔介质中无机垢颗粒微观动力学特征;分析了大功率超声波作用下,近井带储层多孔介质中声能聚集引起岩石局部起裂的动力学特征.在此基础上,提出了大功率超声波解除无机结垢堵塞的无机垢体破碎作用、超声空化作用、超声摩擦作用、超声蠕动输运作用以及超声造缝作用等微观动力学机理.     

各向异性液饱和多孔材料慢波波阵面上的能量聚焦

基于Biot理论以及广义特征分析方法,研究了各向异性液饱和多孔材料中慢波的波阵面在传播过程中的突变.此现象是慢波传播的新特性.参考微分曲面的性质,给出了慢波波阵面上能量突变与慢曲面零高斯曲率间的对应关系,研究了能量聚焦模式在材料参数空间中的演化过程.此研究对于进一步澄清孔隙流体对含液多孔材料失效机制的影响具有重要的意义.     

考虑岩石弹塑性变形的井周应力场计算模型研究

针对煤岩、页岩等岩石具有弹塑性这一特性，考虑岩石非线性硬化与软化变形，并耦合工作液渗滤作用，沿井筒径向方向将地层分为塑性软化、塑性硬化和弹性区，根据弹性区与塑性区交界处应力连续的特点，建立了耦合工作液渗滤和岩石非线性硬化与软化变形的井壁应力场模型。分析表明，塑性区大小与井眼流体压力、泊松比和地层初始孔隙流体压力呈正相关关系，与岩石强度呈负相关关系。与弹性状态相比，岩石塑性变形降低了井眼应力集中效应，岩石塑性变形对井周径向应力影响较小，但会使井周周向应力增加。     

基于孔隙介质理论的地震反射特征分析

在地层中传播的地震波特征受到岩性、孔隙结构、含流体性质等因素的复杂改造作用,孔隙介质理论可以更有效地模拟和分析储层的地震反射特征。将实际介质等效为固体基质和孔隙流体组成孔隙介质,按岩石物理建模方法,建立含流体储层弹性参数与物性参数之间的定量关系,根据孔隙介质的Zoeppritz方程详细讨论了几个典型储层物性参数变化对反射波AVO特征的影响,并将其与按球面波理论正演模拟计算的归一化振幅的AVO特征进行对比分析,发现孔隙介质理论的反射系数与归一化振幅更为接近,尤其是在入射角较小时。泥质含量和孔隙度可导致储层AVO类型发生变化,而孔隙流体性质变化引起AVO截距发生变化,但AVO类型基本不变。孔隙流体性质对AVO特征的影响相较于泥质含量和孔隙度要小得多。本文的方法为利用地震数据进行流体识别提供了更为可靠的理论依据。     

基于多孔介质模型的储层裂缝孔隙度计算方法

针对裂缝性储层裂缝孔隙度定量计算的难题,提出了一种基于多孔介质模型的储层裂缝孔隙度计算方法。通过定义孔隙纵横比谱函数表征岩石裂缝分布特征及对岩石宏观岩石物理特征的影响,并代入多孔介质模型中,建立含裂缝条件下多孔介质模型。理论正演表明,孔隙纵横比谱分布特征与岩石体积模量变化一一对应,通过建立岩石模量反演函数,利用现场阵列声波测井资料实现孔隙纵横比谱定量反演,进而计算裂缝孔隙度。应用结果表明,计算的裂缝孔隙度能够较好地反映储层裂缝发育情况,与电成像测井计算结果吻合较好,文中方法所计算的裂缝孔隙度符合实际生产情况,为裂缝孔隙度计算提供一种新的途径,扩展了阵列声波测井应用范围。     

强爆炸应力波作用下岩石地下洞室的破坏现象学

为了发展更准确实用的地下洞室抗爆工程类比设计方法,对强爆炸试验中地下洞室工程破坏效应进行了综合研究.讨论了强爆炸岩体应力波与自由场岩体破坏、岩石洞室应力波破坏的一般图像、洞室关键破坏部位与破坏方式、洞室破坏影响因素以及洞室破坏分区的问题.洞室的破坏在根本上是由爆炸荷载决定的,地质介质特征在很大程度上控制了洞室破坏的表现形式,洞室工程特征的变化又可使破坏程度和细节破坏形态发生改变.若场地岩体较均质、应力波传播和洞室破坏定量规律较清楚,工程设计时可先按破坏分区表进行洞室破坏的一级估计,然后再计入局部因素进行修正.     

双重介质非饱和两相流岩体热流固损伤模型研究

本文以孔隙-裂缝双重孔隙介质为研究对象,建立孔隙度与岩体应变数学模型和温度场诱导应力模型。基于Terzaghi有效应力原理,建立注水开采过程温度-流体-岩石骨架的应力分布模型。考虑注水压力和注水温度场应力导致的岩体孔隙-裂隙的变形、成核和增长,采用应变孔隙度定义损伤变量,建立了以Gurson-Tvergaard-Needleman圆柱体胞模型为塑性屈服函数的双重孔隙介质饱和热流固损伤本构模型。以某1口生产井为研究对象,通过有限元软件数值模拟得到：温度场诱导应力、注水压力诱导应力和岩石应力分布规律;应力与损伤变量、应变孔隙度演化规律。新模型对油田注水开采过程中储层孔隙和裂缝的变化提供了新的研究方法和理论依据。     

多孔材料的孔结构对其力学性能及破裂机制的影响

针对多孔材料的孔结构对其宏观力学性能及其破裂机制与耐久性的影响,对两种不同孔结构的多孔材料进行了单轴压缩和冻融循环试验,建立了能反映材料内部孔隙结构的三维非均匀数值模型,对两种多孔材料在单轴压缩下的破裂机制进行了分析.实验结果表明:孔结构对于金尾矿多孔材料的力学性能有显著影响.较大的孔隙率除会显著降低材料的抗压强度外,吸能性能会显著增加;在±25℃范围内冻融循环10次条件下的试验结果表明,当金尾矿多孔材料的孔隙率较小且为闭孔结构时,孔洞因冻融造成的孔壁颗粒脱落填塞而造成材料的抗冻性能有所提高;孔隙率较小时,金尾矿多孔材料在单轴压缩下的裂纹扩展主要从试件两端向试件中部扩展贯通为一条连续主拉裂纹,次生裂纹较少;而孔隙率较大时,压缩过程会出现大量微裂纹,最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹.     

长岭断陷白垩系储层发育特征和控制因素

长岭断陷白垩系发育碎屑岩和火成岩两类储层,其储层的物性特征存在差异。研究表明,油层主要分布在白垩系浅层扇三角洲平原相的砂岩储层中,气层主要分布在营城组及以下层位溢流相和爆发相的凝灰岩和流纹岩储层中。碎屑岩储层以砂岩为主,具有成分成熟度高、结构成熟度中等、岩屑和填隙物含量高等特点;储层物性较差,多数层段为低孔低渗储层。火成岩储层,岩性主要为溢流相和爆发相的流纹岩或凝灰岩,储集层孔隙度、渗透率非均质性较强,但裂隙较发育,由裂缝连通孔洞,成为较好的储集空间。影响两类储集层发育的主控因素主要为储层岩相和成岩作用。碎屑岩储层以扇三角洲平原相的砂砾岩为主,登娄库组压实作用相对较弱,孔隙相对发育;营城组和沙河子组压实作用较强,且次生孔隙发育弱,甚至不发育。火成岩储层岩性主要以爆发相的凝灰岩和溢流相的流纹岩为主,原生孔隙与裂缝发育,为冷却成岩和热液成岩共同作用的结果。     

煤岩力学非均质性对孔渗性质的影响规律

煤岩是由有机质和无机矿物组成的复杂不均匀多孔介质,非均质性较强,目前研究鲜有考虑煤岩力学非均质性对煤岩渗透率与孔隙度时空演化规律的影响.基于Weibull概率密度分布函数表征煤岩弹性模量的非均质性,建立了考虑煤岩内甲烷解吸引起的气压变化、线性热膨胀效应和煤岩骨架收缩变形的热流固耦合三维有限元模型,通过煤岩渗透率与孔隙度与温度场、应力场和压力场间的交叉耦合关联式,分析了非均质度下煤岩表征单元体内渗透率与孔隙度参数的变化规律.结果表明:煤岩力学非均质性是影响煤岩渗透率与孔隙度分布的重要因素之一,非均质煤层的渗透率与孔隙度分布呈现出明显的波动震荡特征,在不同位置处的孔渗参数大小不等;随着井眼距离增加,渗透率和孔隙度可能呈现与均质煤岩情况恰好相反的变化趋势.因此,煤岩的孔隙度与渗透率演化是一个复杂的热流固耦合过程.研究结果对指导煤层气高效开采具有重要的理论意义.     

用矩阵分解方法识别地下核爆炸

利用3次地下核试验及其附近3次天然地震的地震资料, 反演获得震源地震矩张量, 通过矩阵分解方法识别地下核爆炸。结果表明, 地下核爆炸地震的震源中有较显著的爆炸源(EXP), 也有补偿线性矢量偶极(CLVD)源和双力偶(DC)源。CLVD的物理机理是爆炸引起介质破裂, 在地下核爆炸震源中占较大的比例。与地下核爆炸相比, 天然地震一般为剪切位错模式, 其震源中DC占较大的比例。     

储层压力衰竭对泥页岩盖层井壁稳定性影响规律研究

很多油气田开发中后期,储层压力会发生衰竭,一定程度上导致泥页岩盖层压力降低,影响钻井中的井壁稳定性。根据多孔介质弹性力学理论和室内实验方法,分别研究了盖层压力降低对其地应力和强度参数的影响,建立了两种因素协同影响下泥页岩盖层的井壁稳定计算模型。利用某构造中泥页岩盖层的相关地层参数,研究了储层压力降低对盖层坍塌压力和破裂压力的影响规律。研究结果表明,储层压力降低导致盖层坍塌压力和破裂压力均降低,盖层漏失风险增大,钻井过程中应主要防止漏失。     

用微观方法研究西峰油田长8油层特低渗透砂岩油藏的岩石应力敏感性

基于铸体薄片、岩心物性测试及压汞分析认为,西峰油田长8油层属于特低渗透砂岩油藏。通过试验研究孔隙型岩样和裂缝型岩样的应力敏感性,利用特殊设计的裂缝可视化测试系统、毛管流动孔隙结构仪等微观分析测试手段评价裂缝闭合规律及定量表征裂缝宽度变化;基于扫描电镜、X衍射分析等研究方法探讨孔隙和裂缝应力敏感性的损害机制。研究表明:研究区孔隙型岩样应力敏感性较弱,裂缝型岩样应力敏感性强;孔隙衬里绿泥石、局部分布的石英加大、自形程度高的石英雏晶是孔隙型岩石应力敏感损害率低、渗透率恢复率高的主要原因;裂缝表面的微凸起发生弹塑性形变是裂缝应力敏感性损害极强的主要原因。建立的孔隙和裂缝的应力敏感性损害模式可以为高效开发该类油藏提供依据。