基于声发射检测的岩石材料非均质性评价与分类研究

对于深部岩石力学和地下工程而言，准确表征与评价岩石的非均质性，对于研究岩石在深部复杂环境下物理力学性质的变异性至关重要。由于岩石成分的复杂性和矿物分布的随机性，采用传统的图像观察方法难以准确的表述岩石的非均质性，因此，亟需寻找一种科学、实用的试验方法对岩石的非均质性进行表征评价。本文假设同种岩石具有相同的矿物几何特征及边界特征（即岩石的微观基质相同），岩石在破坏过程中强相矿物破坏的声发射信号相比于弱相矿物破坏的声发射信号较多。岩石巴西劈裂过程中轴线上的破裂可以近似的认为岩石内部强弱相矿物的依次破裂，通过统计不同应力阶段岩石的声发射信号特征可以间接的分析岩石内部强弱相矿物的差异性。基于此，通过定义岩石强弱相矿物占比及矿物空间分布的均匀性表征出了岩石的非均质性。之后选取不同特征变辉长岩和花岗岩验证了分析方法的科学性和实用性。最后，本文在岩石非均质性评价的基础上探究了岩石宏观力学参数与岩石非均质特征的相关性。单轴和三轴试验表明，岩石的峰值强度和弹性模量不仅仅与岩石强弱相矿物占比有关，也与岩石矿物空间分布的均匀性相关。     

高温下岩石力学性质的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同,采用随机非均匀介质热弹性力学模型和有限元分析方法。进而,仅考虑热膨胀系数为随机介质,在平面应变模型下,并进行了岩石热破裂的数值试验,以花岗岩为样本,对均匀分布、正态分布、韦泊分布等三种随机分布下弹性模量和泊松比引起的岩石破裂门槛温度值的变化作了详细研究,揭示了弹性模量和泊松比对岩石热破裂门槛温度值％的变化规律。     

单轴加载岩石损伤及声发射特性非均质效应的数值试验

为研究岩石非均质性对其力学特性的影响,运用岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D,并采用岩石单轴常位移加载方式,分析不同均质度条件下岩石损伤演化模式和声发射特性.研究结果表明:均质度对岩石力学特性影响显著,随着岩石均质度的增高,岩石单轴加载损伤演化模式由延性向脆性过渡,宏观破裂弥散性降低,岩石峰值强度不断增大,当均质度大于30时,岩石峰值强度基本趋于稳定;岩石均质度较低时,单轴加载条件下岩石声发射体现出强度低、事件频率高的声发射特性,均质度增高时,岩石声发射强度也进一步提高,并且突变性增强.     

砂岩扩容过程中超声波衰减的实验研究

利用振幅谱比法对砂岩扩容过程中超声波衰减的实验结果进行分析表明:岩石存在裂纹稳定性传播与裂纹的非稳定性传播和宏观破裂过程;在前期研究三轴实验中横波速度极大值作为岩石应力门槛值的基础上,增添了横波的衰减系数的最小值,即品质因子的最大值作为新的判据.提出了裂纹稳定性传播阶段与裂纹的非稳定性传播阶段分界的特征是:横波的衰减系数、横波损伤因子、泊松比、体积应变曲线在该分界处出现拐点.将其归属于裂纹传播过程中具有局部贯通时破裂的特征,该分界点处在岩石的应力门槛值与抗压强度之间.此项研究结果具有广泛的应用价值.     

单轴压缩下岩石材料体积效应的数值模拟

为了探讨体积对岩石材料强度和变形及其破坏形式的影响规律,从岩石材料的非均质性出发,应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D对同长径比不同体积的岩石进行了单轴压缩下的数值模拟研究,模拟结果表明随着体积的增大,岩石的强度呈衰减趋势,但在体积增大某个值以后时,岩石强度便基本趋于稳定,模拟结果和实验结果相吻合。对一组不同均质度系数下岩石材料体积效应的数值模拟结果表明,岩石强度的体积效应根源于材料的非均质性。     

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.     

岩石水压致裂过程的数值模拟分析

应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统(FRFPA2D),模拟分析了岩石在水力压力作用下破裂失稳过程,对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响·结果表明,岩石的非均匀性对水压致裂的开始压力、失稳压力以及裂纹的扩展路径有很大的影响,对于不均质试样,水压破裂的开始出现要比失稳压力到达早得多,而对于均质试样,破裂初始压力和崩溃压力是不能区分的;同时,岩石的非均匀性也影响着破裂路径的粗糙度和不规则展布,模拟结果和相关实验结果具有较好的一致性·     

“鲁灰”花岗岩热破裂的细观结构及规律

岩石的组分和细观结构决定其宏观力学性质.通过显微光度计对"鲁灰"花岗岩的矿物组分及微结构,及其在不同温度下的热破裂行为进行观测.试验中发现:"鲁灰"花岗岩为多种组分所构成,非均质性明显;温度作用下,花岗岩内部晶体颗粒之间胶结物的变化,晶粒内部产生的位错及微破裂,导致花岗岩产生热损伤破裂行为.通过对花岗岩的微裂纹发展变化进行定量分析得知:温度作用下微裂纹、内部微结构的发展变化具有规律性.花岗岩的微裂纹数量在80℃出现微幅变化;当温度升高到240～260℃时,"鲁灰"花岗岩的裂纹数量出现剧烈增长;确定了花岗岩破裂行为的阈值.     

均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律

为研究均质度对脆性岩石单轴压缩力学特性、破裂特征及裂纹扩展的影响规律,应用离散元UDEC软件建立了Voronoi块体集数值试件,借助FISH语言及Weibull分布函数实现了块体弹性模量及块体接触面抗拉强度的非均匀分布,开展了不同均质度系数下脆性花岗岩的单轴压缩模拟试验.结果表明:试件的抗压强度、弹性模量均随均质度系数增大而增大,而破坏前变形量则随均质度系数增大而减小,并都趋于稳定;试件宏观破裂形态呈X形共轭斜面剪破坏,细观破坏类型包括晶粒间及晶粒内部的拉、剪破坏;应力峰值前试件以拉破坏裂纹扩展为主,峰值后以剪破坏裂纹扩展为主;均质度系数越小,裂纹扩展及分布越分散,裂纹累计长度也越小,但在轴向应变小于0.2%时,拉破坏裂纹长度与均质度系数变化成反比,说明非均质程度较高的试件在压缩初期已开始出现拉破坏裂纹的扩展;此外,均质度系数为6.0的试件与均质试件的力学特性及裂纹扩展已较为接近,故在采用Weibull分布来描述岩石的非均质性时,均质度系数的取值不应过大.     

岩石非均质性对其峰值应力后弱化过程的影响

通过非均质数值模拟试验,研究了非均质参数m与岩石峰后弱化模量Y的相关关系,表明m与Y间服从关系式:(式中的系数是与岩石的物理力学参数有关的量).说明岩石破坏时损伤变量的值受到非均质参数m取值的影响,且随着m值的增加,损伤变量减小;解释了岩石破坏的渐变过程,并从能量的角度分析了岩石破坏过程中弹性能的集聚和释放,能量的集聚、释放与岩石的非均质性有着密切的联系,随着非均质参数m值的增加,岩石破坏前所集聚的弹性能会显著地增加,发生岩爆的几率也增大.     

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.     

微波辐射用于处理和开采岩石的研究进展

微波辐射具有加热速度快、选择性加热、体积式加热、易于控制、高效、安全等特点。针对目前岩石破碎高成本高能耗、煤层气和油页岩无法高效开发等缺点,本文详细介绍和评述了微波辐射在处理和开采岩石中的应用。分析表明,微波辐射可以在岩石内部诱导产生热应力,进一步产生和延伸岩石内部的裂缝,从而达到预处理岩石和煤岩的作用;微波对煤岩有脱硫的作用;还可以加热煤层气和油页岩,帮助煤层气解析和油页岩的热解,从而对两种非常规油气资源进行原位开采。总结认为,精确描述不同岩石的介电特性、优化微波辐射的功率和时间、计算机数值模型考虑化学反应的影响、研发大规模微波发生器下入井下是今后的发展方向。     

热力射流温度场及温度应力数值模拟研究

热力射流破岩技术是指利用高温介质诸如超临界水对岩石进行快速局部加热达到破碎岩石的目的。由于岩石基质热导率很低，因此会在岩石表面形成温度应力。当温度应力超过岩石的强度，会在岩石内部形成微裂缝，且裂缝不断扩展最终使得岩石表面发生热裂解，热裂解作用导致岩石表面从本体脱落从而使得岩石破碎。基于热-固耦合理论建立了热裂解钻井模型，利用Crank-Nicolson差分方法求解得到了热裂解过程中井底岩石温度场和温度应力的分布规律。结果表明，在热裂解钻井过程中，岩石受热部分温度迅速升高，在径向和轴向方向上产生温度梯度；受热部分体积膨胀在径向方向上受到压应力作用，在轴向方向上发生屈曲，受到剪应力作用。研究成果对热裂解钻井的现场应用具有十分重要的指导意义。     

河北省下花园地区下马岭组碳酸盐生油岩热模拟实验

对下马岭组灰岩进行了热模拟实验,对碳酸盐岩腐泥型有机质的热演化规律进行了研究,划分了其演化阶段,给出了成熟度指标和各阶段油气产率.研究表明,矿物对有机质热演化的影响,在成熟阶段主要表现为催化作用;在高过成熟阶段则主要表现为对干酪根裂解、脱氧和缩合有阻碍作用.沥青“C”的某些成熟度指标可较好地反映有机质成熟度;在缺乏镜质体时焦沥青反射率可作为有效的成熟度指标.此外还对比了岩样和干酪根的模拟结果,以及沥青“A”和“C”的差异.     

气体钻井井底低温对岩石破碎的影响机制

首先分析井底钻头喷嘴的Joule-Thomson效应,其次,建立急剧冷却条件下井底岩石的温度场分布模型,并以此建立井底岩石动态热应力分布模型,对气体钻井井底热冲击应力进行深入剖析。此外,通过引入井底岩石裂纹尖端应力强度因子,对钻头载荷和热应力共同作用下的井底岩石裂纹扩展失稳进行分析,对砂岩岩样进行液氮冷却试验,并对其进行声波实时测量。结果表明:在热应力的作用下岩石裂纹的抗扩展阻力存在极小值,气体钻井岩屑粒度较小;随着温度的降低,波速在岩石中呈线性衰减,声波的首波波幅也有明显的延迟,说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。     

川东北地区上二叠统大隆组烃源岩生烃动力学应用

为了确定川东北地区大隆组烃源岩的生烃特征,选取广元矿山梁大隆组的暗色泥岩进行了Rock-Eval（开放体系）热模拟实验。同时选取飞仙关组抽提物进行了金管（密闭体系）热模拟实验以确定大隆组原油裂解成气特征。通过热模拟实验数据对成烃动力学模型进行标定。标定的大隆组泥岩样品动力学参数揭示其样品活化能主要分布在（190—230）kJ/mol之间,平均活化能为212 kJ/mol。川东北地区大隆组成烃史指出大隆组烃源岩自210 Ma左右开始大量生烃,到170 Ma（中侏罗世）干酪根生烃基本结束。油裂解成气主要发生在（180—160）Ma期间。川东北地区大隆组开江-梁平海槽和广元-旺苍海槽内平均生气强度为（10—20×10⁸）m³·km²,大隆组烃源岩累计生气量达到32.63×10¹²m³。大隆组烃源岩生烃期短,成烃期较晚,对成藏贡献大。     

城市红树林湿地沉积物的矿物组成特征及影响因素

以深圳城市红树林湿地沉积物为研究对象, 分析其矿物组分和理化性质, 探究其矿物组成特征及影响因素。结果表明: 1) 深圳市红树林湿地表层沉积物的矿物组成以黏土矿物(16.5%~73.5%)和石英(22.0%~81.2%)为主, 随着深度增加, 不同样地的沉积物中钾长石、黄铁矿和石盐等矿物含量存在差异; 2) 表层沉积物中, 黏土矿物主要为伊蒙混层矿物(44%~76%)、高岭石(0%~40%)、绿泥石(0%~24%)和伊利石(2%~21%), 以伊蒙混层矿物为主; 3) 不同深度的沉积物中黏土矿物组成与表层沉积物基本上一致, 与沿海区域没有植被的珠江口和大亚湾等地的沉积物存在显著差异。相关性分析结果表明, 深圳市红树林湿地沉积物的矿物组成主要受盐度、总硫(TS)和总有机碳(TOC)影响, 其黏土矿物组成则主要受pH值、盐度、TOC和沉积物粒径影响。     

贵州早、中三叠世间绿豆岩粘土矿物学研究

运用Ｘ射线衍射、红外光谱、差热分析、扫描电镜等分析方法，对贵州绿豆岩进行了系统的粘土矿物学研究。确定了贵州绿豆岩中粘土矿物主要有伊利石、蒙脱石、高岭石和伊利石／蒙脱石混层矿物，为贵州绿豆岩的成因研究和开发利用提供了依据。     

Experiments on thermal fracture in rocks

The thermally induced fracturing appeared in the boundaries of mineral grains of rocks due to the different thermal expansion of different minerals while heating the rocks. When the microscopic fracturing connected like a network, the macroscopic permeability and the fluid transport properties of the rock changed remarkably. The implication of thermal fracturing to petroleum industry, earthquake process and transport modeling have been discussed.     

基于半椭圆锈蚀模型的混凝土保护层锈胀开裂分析

钢筋锈蚀时锈蚀层的分布规律会因钢筋所处的位置不同具有差异性,为了分析非均匀锈蚀层分布的差异对混凝土保护层开裂的影响,基于钢筋锈蚀层半椭圆分布模型,对钢筋非均匀锈蚀情况下的混凝土保护层开裂过程进行了有限元分析,并与均匀锈蚀假定下的保护层开裂理论进行了对比.研究显示按照均匀锈蚀假定的计算结果与非均匀锈蚀假定具有较大误差,尤其是在边角区误差更为明显,考虑钢筋锈蚀的非均匀性更加符合实际.对影响保护层锈胀开裂的因素进行分析后发现,钢筋直径和保护层厚度对保护层锈胀开裂的影响较大,混凝土抗拉强度对保护层锈胀开裂的影响较小.