基于室内试验的页岩脆性特征评价方法

基于全应力应变曲线,提出了包含多参数的综合脆性指标Bd1和Bd2.从扩容拐点(峰前曲线)、残余强度(峰后曲线)、能量分析(全过程曲线)等多角度对脆性指标进行了诠释,通过页岩单三轴实验并结合破坏模式对其适用性进行了验证.结果表明,该指标较好地反应了页岩的脆性,Bd1可根据不同的目的需求选择不同的参数,对脆性评价具有侧重性,且Bd1与围压具有较好的拟合关系,拟合曲线为指数函数;Bd2综合性强,可作为脆性的综合评价指标,但围压较高时对围压不够敏感;90°取芯角度下,随着围压的增加,脆性指数降低,岩石有脆性向延性转化的趋势;低围压下脆性指数对围压比较敏感,降低速度较快,高围压下则相反.     

玛湖凹陷百口泉组砾岩脆性特征及其影响因素分析

准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组是10亿吨特大型玛湖砾岩油田主力开发层系之一,属于典型的低孔、低渗透—特低渗透储集层,需通过体积压裂形成大规模复杂缝网实现高效开发,砾岩地层的脆性特征是压裂形成复杂缝网的关键力学指标。已有岩石脆性的大量研究主要围绕页岩地层,但对结构复杂、强非均质砾岩的脆性特征上缺乏深入、系统认识。围绕百口泉组砾岩的脆性特征、评价方法以及影响因素,通过开展井下砾岩取芯的岩石物理与岩石力学实验,综合岩样变形与破坏特征分析,明确了百口泉组砾岩在地层围压条件下呈现低脆性-塑性;基于实验数据的不同脆性指数计算对比,结合实验呈现的脆性特征,明确了基于割线模量的脆性指数能够更好表征百口泉组砾岩的脆性特征;砾岩脆性指数与围压、孔隙度、密度关系密切,随围压、孔隙度增大,砾岩的脆性降低、塑性增强;随密度增大,砾岩的脆性增强、塑性降低。研究认识对压裂工程“甜点”优选、压裂工程设计具有重要意义。     

川东南龙马溪组埋深对页岩力学性质的影响实验研究

川东南埋深大于3 500 m的龙马溪组页岩分布范围广,页岩气资源量丰富,对其进行高效的压裂改造以获取高产和稳产页岩气具有重要的商业价值。通过设定不同埋深下温度和围压实验条件,对岩石进行三轴压缩试验测试,探讨了岩石在不同埋深条件下的应力-应变特征、峰值应变和峰值强度、脆性以及破裂模式。实验结果表明:埋深由2 044 m下降至4 388 m过程中,页岩的峰值应变和峰值强度分别由0.54%和173.0 MPa升高至1.14%和107.8 MPa,相应的脆性指数呈现下降趋势,同时岩石的破裂程度和破裂模式由复杂的劈裂型向单一的剪切型过渡。结合前人研究成果,认为脆性矿物含量介于60%～65%的页岩层系的勘探开发埋深下限为4 400～4 500 m,接近于深层页岩气藏的埋深下限和岩石力学延性带的上限,埋深小于此范围内的龙马溪组为目前技术条件下有利压裂目标。提出采用经优化配比的预处理酸液对岩石进行酸化处理;压裂过程中利用液氮汽化压裂技术;充分钻遇天然裂缝发育的密集区域;同时采用多尺度粒径的支撑剂以便充填并支撑更多级别的裂缝等压裂技术方面的建议。     

川东南龙马溪组埋深对页岩力学性质的影响试验研究

川东南埋深大于3500m的龙马溪组页岩分布范围广,页岩气资源量丰富,对其进行高效的压裂改造以获取高产和稳产页岩气具有重要的商业价值。通过设定不同埋深下温度和围压实验条件,对岩石进行三轴压缩试验测试,探讨了岩石在不同埋深条件下的应力-应变特征、峰值应变和峰值强度、脆性以及破裂模式。实验结果表明：埋深由2044m下降至4388m过程中,页岩的峰值应变和峰值强度分别由0.54%和173.0MP升高至1.14%和107.8MPa,相应的脆性指数下降趋势,同时岩石的破裂程度和破裂模式由复杂的劈裂型向单一的剪切型过渡。结合前人研究成果,认为脆性矿物含量介于60~65%的页岩层系的勘探开发埋深下限为4400~4500m,接近于深层页岩气藏的埋深下限和岩石力学延性带的上限,埋深小于此范围内的龙马溪组为目前技术条件下有利压裂目标。提出了采用经优化配比的预处理酸液对岩石进行酸化处理;压裂过程中利用液氮汽化压裂技术;充分钻遇天然裂缝发育的密集区域;同时采用多尺度粒径的支撑剂以便充填并支撑更多级别的裂缝等压裂技术方面的建议。     

基于能量原理的页岩损伤破裂研究

岩石变形破坏过程本质上是能量耗散的损伤演化过程.为研究页岩压缩变形及损伤破裂特征,本文建立了基于轴向应变的损伤变量,并将其引入基于损伤能量释放率建立的损伤演化方程.结合不同层理角度页岩单轴循环荷载试验结果,验证了该损伤演化方程可用于描述单轴循环荷载下页岩损伤演化过程.在此基础上,定义了可用于定量评价页岩压裂缝网复杂程度的新指标C_A.通过计算与不同页岩试样破裂形态相应的C_A,发现C_A与页岩破裂形态的复杂程度具有较好的正相关性,可作为评价页岩压裂效果的指标.此外,C_A的计算结果表明,加载方向和页岩原生层理面的夹角越大,对应的岩石试样破裂形态越复杂.     

上扬子地区牛蹄塘组黑色页岩的力学性质

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩是一套区域性的富有机质烃源岩。利用MTS岩石物理参数测试系统,通过模拟实际地层条件对研究区内2口钻井和2条地表实测剖面的岩石试样进行岩石力学测试,并与北美典型页岩岩石力学参数进行对比,结果表明:①黑色页岩破裂样式主要有拉伸破裂、单斜剪切破裂和共轭剪切破裂,随着围压的增大,岩石的破裂角度逐渐减小,以脆性-脆塑性变形为主;②页岩类型、埋藏深度、取心方位、地层水和加载条件对页岩的岩石力学参数有较大影响;③岩石抗压强度与剖面沉积背景具有一定的相关性;④岩石矿物组成也是影响抗压强度的另一主要因素。     

恒轴压卸围压条件下粉砂岩应力应变特征与能量演化

为了获得高陡山区地下工程顶部粉砂岩在开挖后的应力应变和能量演化特征,开展了不同围压下粉砂岩恒轴压卸围压三轴试验,分析其应力应变、应变能转化以及能量耗散特征。结果表明,恒轴压卸围压条件下,围压越高,试样围压卸载率越低,且试样破坏越快、变形越大。不同围压下能量转化特征曲线趋势基本一致,与应力应变曲线有较好的相关性。围压恒定轴压升高阶段,除围压产生的应变能密度基本恒定外,其他能量演化曲线具有呈指数升高的特征;主要表现为原生孔隙压密,能量转化率较低。轴压恒定围压卸载至试样破坏阶段,轴向应力与能量曲线两者突变点基本对应;产生较大程度宏观破裂,能量转化率较高。试样破坏后围压恒定和继续施加轴向应变阶段,低围压能量释放更强,试样破坏更为碎裂。能量耗散具有总体上先升高后降低再陡增的特征,围压越低,试样破坏时应变越小、能量耗散比越大,试样破坏更加碎裂;围压越高,对试样能量耗散抑制作用越强,有利于弹性应变聚集,更容易产生岩爆现象。     

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。     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

长宁地区富有机质页岩脆性及与裂缝发育关系

页岩的脆性控制着裂缝的形成和演化,对页岩气层的体积改造和页岩气的增产极为关键。以川南长宁地区龙马溪组页岩为例,通过岩石矿物、地球化学和岩石力学等实验对龙一₁亚段的矿物组分、有机地球化学、孔隙-裂缝结构以及力学性质进行测试,分析不同脆性矿物、有机质以及埋深的页岩脆性特征及其与裂缝发育的关系。结果表明,龙一₁亚段脆性最高者为富有机质硅质页岩岩相,石英、长石和黄铁矿等脆性矿物的总含量大于50%,它们能够调节岩石断块的剪切滑移,所积累的能量大于完成岩石整体剪切破坏过程所需的能量;有机质及其在成熟过程中所产生的有机孔隙与微裂缝可促进裂缝的拓展、贯通以及连接,有机碳含量越高,裂缝系统越发育;随着埋深增加,页岩的脆性下降,岩石破裂模式由复杂的劈裂型向单一的剪切型转变;龙一₁¹、龙一₁²小层脆性矿物和有机碳含量最高,脆性指数分别达到了61.31%和60.70%,为压裂甜点层段。     

基于模拟的岩芯脆性室内评价方法对比与分析

为寻找更加有效的岩芯脆性室内评价方法,运用有限元软件模拟了岩芯关键力学参数对其脆性破坏特征的影响,计算并分析了脆性指数B1~B6.结果表明:随着弹性模量的增加和泊松比的减小,岩体脆性增强;随着抗压强度和压拉比的增大,岩体试样在破坏特征上脆性增强,但通过对围压和残余强度系数对岩体脆性指数的计算分析,揭示了抗压强度和压拉比对于岩体脆性影响的实质;围压是影响岩体脆性的外在因素,随着围压的增加,岩体脆性减小;另外,通过对脆性指数的方法比较,验证了B6.判断岩体脆-塑性的可行性.     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

基于峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法

为实现对峰前及峰后岩石脆性特征的定量刻画,提出了一种基于岩石峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法,建立岩石峰前脆性指标B_pre及峰后脆性指标B_post,将两者之积作为岩石脆性评价指标B_m。为验证脆性评价指标的合理性,选取凉山州某铁矿矿山扩能工程露天采场边坡发育的玢岩、辉长岩及花岗岩为研究对象,开展不同岩石及不同围压条件下的三轴压缩试验;采用已有的脆性评价方法B₁₅～B₁₈、B₂₃与本文所提的岩石脆性评价指标B_m对试样的脆性特征进行验证对比,结果表明：(1)采用脆性指标B_m能够较好地评定不同种类岩石的脆性特征,B_m与岩石脆性呈负相关,即脆性评价指标B_m越大,岩石脆性程度越高;(2)脆性指标B_m较好地验证了围压对岩石脆性特征的影响,随着围压的增大,岩石脆性程度降低。本文所提出的脆性评价方法丰富和完善了岩石室内脆性评价体系,具有一定的理论意义...     

花岗岩高应力强卸荷作用下力学特性试验研究

在对花岗岩岩样进行常规三轴加载试验的基础上,进行了峰前高应力条件下卸围压并维持q=σ1-σ3不变的花岗岩卸荷破坏试验,研究卸荷条件下花岗岩的变形、破裂特征,强度准则.结果表明:1)常规三轴破坏以轴向变形为主,卸荷破坏以径向变形为主,卸荷破坏特征以向卸荷方向发生径向变形和体积扩容为主,卸荷状态下脆性特征较加载状态下明显.2)在加载试验中,岩石基本上表现为剪切破坏,张性破裂成分很少.卸荷破裂时各种级别的张裂隙发育,剪性破裂面以共轭X或局部剪切破坏为主.3)在初始围压相同情况下,卸荷点越大,岩样从卸围压至破坏的时间越短,说明高卸荷点更容易导致岩石破坏.4)Mogi-Coulomb强度准则适合描述花岗岩高应力强卸荷作用破坏下的岩石强度特征.     

改进的PFC流固耦合模型及其储层页岩渗透破坏模拟研究

深入研究储层页岩的裂缝扩展及其渗透性演化过程是有效确定储层页岩气采收率的关键.基于颗粒流离散元法(PFC)软件,针对PFC经典流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形替换接触定义流体流动管道的流固耦合分析方法,解决经典算法中因为接触破坏而导致流动管道失效的问题,能更真实地描述页岩破坏后的裂缝优先流效应.建立基于改进流固耦合算法的层理页岩颗粒流模型,分析荷载作用下页岩渗流过程中的孔隙压力和流量演化规律,对比试验结果以验证其算法的合理性.进一步研究了不同围压组合渗透压的页岩渗透特性,其结果表明：层理倾角对页岩初始渗透率的影响显著,围压一定时,其初始渗透率随层理倾角增加而增大,围压越小则影响程度越大;渗透压一定时,初始渗透率随围压增大而减小.最后,深入研究了不同围压组合渗透压的页岩破坏模式,显示不同荷载组合下的裂缝形态差异显著,高围压高渗透压下的页岩破坏微裂缝多,以X型剪切破坏或拉-剪混合破坏为主,而低围压低渗透压下的页岩破坏大多沿层理面形成剪切破坏.以上成果可为水力压裂诱发储层页岩损伤破裂的渗流通道形成及其渗透性演化提供科学依据和技术支持.     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

颗粒刚度变化对胶结砂岩力学响应的影响

为分析胶结砂岩的力学响应和破坏机理,基于试验建立不同刚度比的三维颗粒流数值模型,验证数值模型的可行性,并分析不同胶结性状的砂岩力学响应,进一步说明胶结物质的重要作用及模型的适用性.分析颗粒接触刚度比和平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值变化时,砂岩的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律以及对模型的泊松比、初始刚度和延性的影响.结果表明:不同的颗粒刚度比对岩样宏观力学响应的影响不同,颗粒接触刚度比越小,且切向刚度越大时,胶结砂岩的脆性越强;平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大,脆性越强,黏结破坏越容易,剪切破坏越明显.颗粒刚度对胶结砂岩的力学响应和变形能力有重要的影响,是实际储层砂岩力学模拟选择有效细观参数和构建本构关系的关键.