深部砂岩动态冲击破坏的力学特性研究

为了研究深部砂岩在热-水-力耦合作用下的动力学特性,利用自主研发的热-水-力耦合三轴岩土体动态冲击力学试验系统,分析了动态冲击下深部砂岩的力学参数并从能量的角度描述其破坏形态。研究结果表明:在具有主动围压、轴压、渗透水压及温度的耦合作用下,冲击气压增大时,深部砂岩的应力-应变曲线的峰值应力随之增大;深部砂岩的峰值应力与应变率变化表现出明显的正相关性,具体表现为随着应变率的增大,峰值应力不断增大;随着冲击气压的增大,破碎程度不断加大,深部砂岩的破坏形态向压剪破坏过渡和发展,岩石试件的破坏形态呈脆性向延性转变的趋势。试验结果可以为深部砂岩在实际爆破工程中提供参数支撑。     

不排气条件下低渗透岩石力学特性试验

以低渗透致密红砂岩为研究对象,开展了不同围压和孔隙气压下的常规三轴不排气试验,分析了不同应力路径下,围压与孔隙气压对岩石力学特性的影响。试验结果表明：围压对砂岩具有强化作用;随着围压增大,抗压强度与延性明显增大,多呈现剪切破坏形式;孔隙气压使砂岩的抗压强度降低,脆性提高,砂岩内部张力增大,对砂岩内部连续结构产生破坏,易产生劈裂破坏面。     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

真三向应力作用下深部砂岩力学特性

基于真三轴试验机对取自某储气库、埋深3 600 m的试样开展了一系列砂岩真三轴压缩试验.研究了真三向应力作用下深部砂岩的强度、变形特征，并将深部砂岩与浅部砂岩的弹性模量、黏聚力、摩擦角和峰值破坏强度进行了对比.结果表明：在一定范围内随着中间主应力的增加，深部砂岩的峰值强度也会增加，深部砂岩的起裂应力和损伤应力也随之增加，峰值处的中间主应变呈现减小的趋势.随着砂岩深度的增加，砂岩的弹性模量、黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势.浅部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为非线性关系，而深部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为线性关系，且Mogi-Coulomb准则更适用于表述深部砂岩破坏时的强度特征.     

在多轴应力状态下脆性岩石的强度特性

本文以须家河中粒砂岩、须家河细粒砂岩和嘉陵江微晶质石灰岩三种不同致密程度的岩石为研究对象,利用一套三个主应力大小均可独立改变的岩石真三轴加压设备,对岩石在多轴应力状态下的强度特性及断裂破坏形态进行了深入地研究,并着重讨论了中间主应力σ_2对岩石强度及断裂破坏形态的影响。结果发现,对于不同最小主应力σ_3下的(σ_1/σ_c)～(σ_2/σ_c)强度曲线可以十分近似地用某一抛物线来表示,而对于不同Lode参数λ下的(R/σ_2)～(Q/σ_c)强度曲线则可以十分近似地用某一直线来表示。同时还发现,岩石的断裂破坏将随着应力状态的不同而有可能出现剪切破坏,拉剪混合破坏或拉裂破坏。     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

周期冲击扰动下粉砂岩单轴蠕变特性研究

采用改进岩石蠕变扰动试验装置对粉砂岩试件开展施加周期冲击扰动下单轴蠕变试验,研究周期冲击扰动下粉砂岩蠕变变形、蠕变速率及破坏特征.结果表明:冲击扰动会引起蠕变曲线产生新的波动,随冲击扰动次数增加,粉砂岩内部累积变形逐渐增加,进入稳定阶段时间明显缩短,进入加速蠕变阶段轴向应力阈值显著降低;在周期扰动作用下,粉砂岩蠕变占比与轴向应力呈指数关系,蠕变速率稳定值提高;冲击扰动加速粉砂岩内部裂隙发育,粉砂岩试件破坏形式更趋于脆性破坏.基于Mohr-coulomb准则,提出一种与时间有关的非线性黏滞体并引入损伤因子改进Burgers模型,建立粉砂岩蠕变扰动理论模型;该模型能很好描述周期冲击扰动下粉砂岩蠕变特性,可为深入研究冲击扰动下岩石蠕变失稳破坏提供参考.     

三维颗粒流数值模型的胶结砂岩力学特性

为了更好地反映砂岩胶结性状对力学特性的影响,以油藏储层砂岩为研究对象,建立基于平行粘结接触的三维颗粒流数值模型(PFC3D)用以模拟剪切试验中砂岩结构的破坏机理.进行PFC3D的二次开发描述平行粘结分布和力学性质,分析剪切过程中砂岩体应力比、体应变、配位数和粘结破坏与应变之间的关系,通过接触网络的演化说明力链的重要作用,验证了数值模型的可行性.对比研究了不同胶结半径比、平行粘结刚度和胶结量变化对胶结砂岩力学特性的影响,阐明了胶结性状对砂岩结构受力的控制作用,为建立特定条件的胶结砂岩破坏机理提供了科学依据.     

基于岩体层理特性的非线性抗剪强度准则研究

对湖南湘西雀儿溪隧道中的层状砂岩开展了室内三轴压缩试验.结果表明,因微层理面的影响,该砂岩表现出较强的各向异性强度特性,岩体的破坏存在沿层理面的滑移破坏和非滑移破坏(含斜穿层理面的剪切破坏、基岩破坏及二者的复合破坏)两种模式.针对该砂岩的破坏特征,提出了一种反映其强度特性的非线性破坏准则,该准则对两种破坏模式采用不同的方法进行描述.采用该破坏准则预测层状砂岩的破坏强度,预测结果与试验数据吻合较好.采用该准则对其他不同类型层状岩体的强度进行预测,也获得了较好的结果.     

颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明:胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。