一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪

该实用新型涉及一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪,包括加载框架,加载框架内设有若干三轴压力室,各三轴压力室的压头分别与轴压伺服控制系统连接,各个三轴压力室通过油管与围压伺服控制系统连接;各三轴压力室内的试样通过水管与孔压伺服控制系统连接;各个三轴压力室的外壁上设有电加热部,电加热部与温度控制系统连接;轴压伺服控制系统、围压伺服控制系统、孔压伺服控制系统、和温度控制系统均和数据采集与控制系统通过电路连接,数据采集与控制系统实时控制试样的应力场、渗流场和温度场,以测量试样在不同的温度-渗流-应力耦合条件下的流变变形。该实用新型可以同时进行多组不同温度-渗流-应力耦合条件下的流变试验。     

渗流-三轴应力耦合试验机的研制

为了对工程设计提供必要的依据,需要进行岩体的渗流-三轴应力耦合研究。由于缺乏相应的试验设备,因此研制了渗流-三轴应力耦合试验机,该设备由密封、水压控制、三轴加载、流量计量、自动控制及数据采集系统5部分组成,能够在垂直于渗流向的两个方向上实现独立加载。研制过程中引入了一些新工艺,采用聚氨酯密封胶实现了试件在高水压下的密封,引入阻尼器削减水压振幅以获得平稳的高水压源,采用油封技术解决小流量测量中的蒸发问题。     

三轴应力作用下岩石单裂隙的渗流特性

侧向应力作用下岩体裂隙开度呈现增大的趋势,采用侧向应力影响系数,将侧向应力等效为作用于裂隙法向的拉应力,基于岩体裂隙法向闭合变形法则,建立了三轴应力作用下裂隙开度表达式,在此基础上推导了岩石单裂隙渗流与三轴应力耦合模型.采用人工劈裂贯通裂隙进行三轴应力下的渗流实验,研究结果表明,法向应力、侧向应力以及渗压对裂隙渗透系数有显著的影响,裂隙渗透系数随法向应力的增加而减小,而随侧向应力或渗压的增加而增大,裂隙渗透系数与三轴应力呈指数函数关系.实验结果与理论分析具有很好的一致性.     

超低渗透油层温度-应力-渗流的流固耦合效应

目的在于研究由于注入流体的温度过低而引起超低渗透油层渗透率和孔隙结构变化的温度-应力-渗流的流固耦合效应.实验选用了长庆超低渗油藏的岩心,在恒压和各种不同温度下测定了岩心的渗透率.实验结果表明:①随着温度的降低,岩心的渗透率不断降低,大约2/3的超低渗岩心在25℃左右时会出现裂缝直至断裂.在25~15℃温度段内,流体通过超低渗透多孔介质的渗透率对温度最敏感,其变化程度最大(要么降低的幅度最大,要么出现裂缝),且这种变化是部分不可逆的.②随着温度的升高,岩心的渗透率稍有增加,当温度再开始下降时,渗透率下降,温度下降到原始地层温度时渗透率的值比初始值要大,但增加的幅度不大.因此,注水开发低渗透和超低渗油田时应尽量避免冬季投产和施工作业.在正常的开发状态下应在合理的生产压差下,合理选择或保持适当的注水温度,尽量降低冷伤害对开发效果的影响,保持油藏的稳产和高产.     

一种大型岩石三轴应力摸拟实验装置方案设计

大型岩石三轴应力摸拟实脸装置是一种对地下深层岩石的力学性能进行摸拟实脸研究的必要装备,目前市场上尚无此大型实脸设备的产品,本文就该设备的方案设计进行了论证,提出了一种断裂的设计方案。     

浅埋煤层覆岩三轴渗透试验及渗流-应力耦合方程

研究浅埋煤层覆岩,尤其是风化岩石在采动条件下的渗透性与应力变化的关系,对揭示松散含水层下开采顶板突水机理具有重要意义。运用采自潘三煤矿西风井浅部煤层覆岩样进行三轴全应力-应变渗透试验,分析了风化和未风化岩石在变形破坏中的渗透率变化规律,并拟合出渗流-应力耦合方程。研究结果表明:无论风化与否,岩石一般皆在峰值后的应变软化阶段渗透性能才达到最大,峰值前的应力-渗透率的关系呈负指数函数关系,而峰值后二者呈现正指数关系;风化岩石或软弱岩石在屈服后,渗透率的增长倍数远远不如硬质岩石,表明顶板软弱覆岩即使受采动破坏的影响,其渗透率也变化不大,这对松散含水层下采煤缩小防水煤柱开采是有利的。     

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明：1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面...     

考虑温度和滑脱效应的煤渗流应力耦合模型

温度变化、滑脱效应、有效应力等对煤层变形和瓦斯流动耦合机制的影响规律是煤层瓦斯突出灾害防治、煤层气抽放设计等工程中的关键。从吉林华兴矿取原煤,粉碎后制备型煤试样,利用自行研制的三轴渗流应力温度耦合实验装置开展了三轴气渗流试验,研究了孔压、有效应力及温度对型煤渗透率的影响规律,结果表明:1)低孔压条件下,随着孔压增加煤样渗透率减小,当减小至某一临界值后,渗透率再随孔压增加而缓慢增长,即表现为所谓的滑脱效应。2)有效围压对煤的渗透率有很大影响,围压增加,煤样所受有效应力增大,煤样内的孔隙和裂隙空间被压缩,瓦斯的渗流通道变窄,渗透率降低。3)温度变化对煤的渗透率有显著影响,温度升高,煤的渗透率降低。这主要是由于温度升高使得煤样体积膨胀,由于周围的约束使得煤样内部出现温度压应力,煤的孔隙和裂隙空间被压缩,试样的渗透率降低。同时,温度升高使得甲烷气体黏性增强,加剧了煤的渗透率降低的趋势。温度变化对煤渗透率的影响近似服从线性关系。4)建立了考虑温度变化、有效应力及滑脱效应影响的煤渗透率演化方程。将煤视作弹性介质,结合有效应力原理和本文的煤渗透率演化方程,建立了考虑温度变化、滑脱效应影响的煤变形和瓦斯流动耦合数学模型,在Matlab软件下开发了相应的有限元程序。通过数值算例研究了温度变化和滑脱效应对煤变形和瓦斯流动的影响规律,结果表明:1)若不考虑温度变化和滑脱效应的影响,将偏于低估瓦斯流动能力,在煤变形和瓦斯流动耦合分析中应考虑温度变化和滑脱效应的影响。2)本文建立的模型能较好地考虑温度变化、滑脱效应和有效应力对煤层瓦斯流动的影响,从而为煤层瓦斯运移预测提供了一个新的思路。     

混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型

从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作用机理,首先叙述了混凝土材料细观和宏观的联系,分析了混凝土的渗透特性以及耦合的基本概念.在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,增加一个反映渗流系数和孔隙变化关系的耦合方程,并结合混凝土的弹性损伤本构方程,引入渗流突跳系数ξ这一概念,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力耦合方程.本模型通过渗流、应力和损伤的相互作用反映出材料的宏观复杂破坏现象和非线性行为.     

岩石三轴实验中的应力路径与应力应变分析

通过对砂岩、大理岩、角砾大理岩三轴实验中应力路径与应力-应变分析,揭示了在各种试验应力环境中大多数岩样的最大主应力方向的应变为最大;保持围压快速卸荷轴压时出现了-ε1,及与围压无关的岩石弹性泊松比等现象.建议采用以LVDT控制模式保持轴向位移方式下卸围压来模拟人工开挖工程引起的隧道围岩应力重新分布现象.     

断层突水非线性渗流-应力耦合研究

针对断层水突出日益严重的问题,为揭示断层水突出过程中流固耦合作用影响下突水不同时刻、不同阶段的承压水运移规律,在断层破碎带中应用非达西流动方程并考虑应力作用和孔隙水压力作用对断层带中岩石力学参数的影响,应用Comsol软件建立含水层-断层-工作面三个阶段的断层导通前后达西-非达西-自由流动方程,获得应力-水压力作用下断层水突出及流动机理。结果表明:非达西Forchheimer方程能有效模拟计算高水压高流速水流在断层中的流动过程;流固耦合作用对断层中的非达西流动特性影响较大,断层破碎带作为含水层和工作面的连接部,其在应力作用下的渗透性突变是断层突水形成的根源。     

渗流-应力-化学耦合作用下单裂隙渗透特性

针对深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中,将发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合作用。在前人工作的基础上,深入分析了多物理场作用下裂隙岩体表面溶解和压力溶解的作用机理,并建立了描述渗流-应力-化学耦合作用的偏微分方程组,最后建立了裂隙的概化模型,利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件模拟了单裂隙在渗流-应力-化学作用下的耦合过程,并着重分析了裂隙渗透特性的变化规律。     

深部开采工程中渗流-损伤-应力耦合模型

为了研究地应力场、损伤对渗流场深部岩体的影响问题,从理论上分析了岩体渗流运动的基本规律,引入岩体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含岩体开挖过程固气-损伤耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动中岩体渗透性的演化规律。结果表明:在开采过程上覆岩层应力增大、变形增大,岩体垮落现象明显,并伴随着岩体渗透性迅速增大,应用该耦合模型解决实际工程和现场实际观测结果比较吻合。     

复杂应力环境下单节理岩体渗流-应力耦合特性研究

实际工程岩体在三向不等压主应力作用下渗流-应力耦合特性是目前学术界和工程界尚不明确的一个关键点.首先通过合理的理论分析与公式推导,给出了可描述三向主应力作用下无充填节理内渗流-应力耦合特性的理论公式;利用室内岩石真三轴渗流-应力耦合试验,验证了上述理论公式的可行性;通过基于全局优化算法的非线性拟合软件,结合试验数据给出了可信度较高的渗流-应力耦合特性经验公式;采用三维块体离散元方法开展数值试验,探讨了节理法向刚度参数取值方法的差异性,在合理赋值情况下验证了渗流-应力耦合特性经验公式的合理性;基于室内真三轴应力-渗流耦合试验、非线性数据拟合与离散元数值试验的系统研究结果证明了理论分析的准确性.     

两种典型岩石在围压下的三轴应力实验研究

本文提供了两种标准岩石 和 在围压下的三轴应力试验,它对钻头设计及选型非常重要。通过岩石在围压下的三轴应力试验,获得了钻头使用及设计的一些有用数据。     

岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

岩石三轴全应力应变过程中的渗透规律

通过岩石三轴压缩渗透试验,揭示了岩石在全应力应变过程中的渗透规律,发现岩石渗透率一般不是常数,而是随应力应变过程中岩石内部结构演化特征改变,岩石渗透峰值多发生在岩石破坏后的应变软件阶段,因此,防止岩石破坏与控制岩石破坏后变形的进一步发展,对于预防岩层突水事故是同等重要的。     

深埋隧洞渗流与应力耦合分析

富水区深埋隧洞工程,在建设过程中面临着与浅部隧洞明显不同的岩石力学问题,高水压力和高地应力是这类工程遇到的两大难题.地下水的渗流一方面对地下洞室的排水及周围地下水位有很大影响,另一方面地下水渗流对洞室围岩的力学、物理和化学性能产生影响.以有效应力原理为基础,应用渗透系数和孔隙度随体积应变改变而改变的动态演化模型,通过ABAQUS提供的接口,编制了用户子程序,从而实现了渗流与应力完全耦合,分析了渗流场与应力场的相互影响程度,为工程设计和施工提供了理论支撑.