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。     

岩层非均质性对裂缝发育的影响研究

为了探讨在平面上的岩层非均质性对不同方位裂缝发育的影响,以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组特低渗透砂岩储层为例,进行了岩石单轴和三轴岩石力学试验及岩石声发射试验．结果证实在平面上不同方向岩石力学性质各向异性的存在,它们是影响该区不同时期不同组系裂缝发育差异的主要原因．岩层非均质性往往抑制了共轭剪切破裂中的一组裂缝的发育．鄂尔多斯盆地延长组主要为在2期构造作用下形成的剪切裂缝,在理论上应该发育4组剪切裂缝,但由于受岩层强烈非均质性的影响,每期主要发育1组裂缝,因而目前在每个部位通常见到2组裂缝。     

岩石材料的非均质性与动态参数

对四种岩石进行了超声波测试。从同一岩块加工的试样尽管宏观上没有明显差异,但超声波通过时间的差异最大可以达到9%将岩样间具有相同性质的长度相抵后,可以认为时间差异只是发生在局部材料,即岩样是由力学特性差异极大的材料构成的。而岩样的动态、静态参数是以不同的方式反映岩样内部材料的力学性质,因而并不会相等。由超声波速度计算的泊松比变动范围较大(最大43%),难以运用;动态模量总是大于变形模量,而与弹性模量的差异可以达到±15%以上。     

基于数字图像处理的非均质岩石材料细观尺度应力分析

以冀中坳陷碳酸盐岩储层为例,利用碳酸盐岩微观结构的图像信息,确定地应力数值模拟计算网格的合适尺寸,将数字图像处理技术引入非均质碳酸盐岩岩石材料细观尺度的应力分布计算中,将表征岩石细观结构特征的量与岩石物理力学参数等宏观的量有机结合,精确预测碳酸盐岩非均质储层裂缝发育及分布的区域。结果表明:研究区域最大水平主应力为-59.51~-95.09 MPa,最小水平主应力为-34.05~-52.58 MPa;Mises等效应力为56.84~83.15 MPa;研究区域最大总应变为2.097×10-4,最小总应变为1.392×10-4;岩心样品在左上区域和右下区域均出现应力集中和变形不协调的情况,预测为裂缝主要扩展和分布的区域;基于数字图像处理技术能够更真实、有效地表征储层岩石的非均质性。     

非均质性对聚合物驱开发指标的影响

应用ECLIPSE软件,选取大庆油田采油一厂已结束注聚的北一区中块的典型井组,利用其静态资料数据,定量研究了纵向层间非均质性、纵向层内非均质性、平面非均质性三个方面非均质性对聚驱开发效果的影响.研究结果表明:三种非均质性对聚驱的驱油效果均有影响.其中,纵向层间非均质性影响较大,渗透率变异系数Kv在0.6-0.8之间聚驱效果均较好;层内非均质性的影响体现在隔层的稳定性,层内若存在2个隔层,则上、下2隔层的连续性对聚驱影响不同,上部隔层连续时,聚驱效果较好,下部隔层的影响不大;平面非均质性的影响呈现多样化.     

储层非均质性定量研究的新方法

对定量研究储层非均质性的常规方法进行了分析，提出了一种新的非均质综合指数方法，该方法利用把表征非均质特征的９个参数作为因素建立起模糊数学模型，主要包括因素集合结语集合、单因素矩阵等模型。该方法可以克服多种非均质参数表征不一致的缺陷，能实现储层非均质性定量刻划。该方法在胜索油田二区进行了实际应用，取得了较好的效果。     

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.     

一种定量描述油藏渗透率水平非均质性的新方法

基于多孔介质中的渗流过程,定义了一个定量评价油藏渗透率水平非均质性的新参数———非均质系数.均质时非均质系数最小,其值为1,非均质时其值大于1.该参数与渗透率数列的统计性质无关,仅取决于渗透率数列的非均质性.分析表明,它能很好地定量评价渗透率数列的非均质性及其对渗流过程的影响.     

河流相模式与储层非均质性

近４０ 年来，通过现代河流研究和多学科结合，河成相模式已由最初的点沙坝侧迁模型发展成今日的１６ 种相模式；同时研究方法亦由单纯的垂向相序分析，发展成大露头三维研究，识别出可与现代复合坝比拟的构型要素，从而建立相模式。该文对此作了一简要回顾与评述，然后介绍一个密西西比河曲带的６ 级储层非均质性和一个辫状三角洲储层质量之受控于沉积因素。文章指出，研究者应针对研究对象，提出自己的构型要素，以更好地认识古河流。河成储层包含多级非均质性，沉积变量是储层质量和产能的主要控制因素，因此不断更新储层沉积学认识，有助于提高勘探和开发效率     

混凝土单轴应力状态的损伤力学分析及应变软化模型研究

利用先进的Ｉｎｓｔｒｏｎ电液伺服试验机，对混凝土单轴拉伸状态下的应力－应变全曲线进行了实测．根据实测结果和收集的文献资料，运用损伤力学理论，推导了相关的损伤方程，并建立了混凝土的应变软化模型     

峰后软岩应变软化渗流特性

为探讨峰后软岩的应变软化特性对渗流过程的影响,以新集矿两组砂质泥岩岩样为研究对象,基于裂隙损伤有效应力理论,研究了峰后软岩的应变软化特性和渗流特性,分析了软岩的应变软化渗流机制。结果表明：峰后软岩渗透性能较弱,同时软岩受到结构面、孔隙率的影响应力降存在突跳现象,且软岩渗流过程与损伤度、应力降、应变软化率有很大的相关性,表现为损伤度越大,应力降越大,应变软化率越大,相应的渗透率也越大。     

温湿效应对膨胀岩吸水软化作用的影响

试验通过控制水温,观察膨胀岩在水中崩解、软化的快慢,以及固体颗粒物粒径的大小,得出了温度对膨胀岩吸水崩解软化作用的影响规律。通过对各组温湿度状态下的膨胀岩进行直剪实验,获得了温湿度对膨胀岩抗剪强度的影响规律。结果表明:随着温度的升高,膨胀岩内部矿物颗粒吸水速率变快、吸水量增大、分子运动加速、膨胀作用增强,崩解速率也逐渐加快,吸水软化所需时间更短;温度的升高,加大了膨胀岩内部水分的蒸发,导致岩体失水收缩,内部结构变得紧密,水的润滑作用也减弱,膨胀岩的黏聚力和摩擦角均增大;随着含水率的增加,膨胀岩吸水发生体积膨胀,分子间吸引力减小,内部矿物颗粒胶结变得松散,水的润滑作用加强,黏聚力和摩擦角均降低。     

基于应变非线性软化的海底隧道围岩力学特性

采用弹性、峰后具有拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中主应力效应,在海水渗流和不同排水工况下,对海底隧道围岩弹塑性区应力分布规律、围岩与支护之间作用关系以及最小支护阻力进行研究,分析海水压力、上覆岩层厚度、有效孔隙度对围岩力学特性的影响,提H{渗流作用下隧道围岩稳定的海水压力临界值的概念,并绘制围岩(支护)特性曲线.研究结果表明:海底隧道排水越充分,围岩有效孔隙度越大,则塑性区开展范围越大,且递增幅度较大,围岩(支护)特性曲线也不同;当隧道埋深较浅时,在隧道周围只形成塑性区域,只有当埋深进一步加大时,才可能形成松弛区域.     

隧道工程围岩扩容和塑性软化的变形解析

系统考虑隧道工程建设过程中隧道围岩岩体的扩容和塑性软化特性,引入岩石扩容梯度和软化模量的概念,推导出均匀介质中软岩隧道围岩应力场和变形场的理论解析,与其他研究者理论模型进行比较,验证本文理论模型研究的正确性。通过算例分析了隧道工程岩体的扩容梯度和软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响,研究结果对隧道支护设计与施工具有指导意义。     

火山岩力学特性试验研究

对取自松南气田营城组的流纹岩和凝灰岩开展室内岩石力学试验研究,得到了流纹岩不同亚相和凝灰岩在不同围压下的应力-应变曲线;在此基础上分析火山岩变形破坏的特征。火山岩的CT图像显示,随着流纹岩亚相的变化,岩石内的孔隙和微裂纹发育程度发生变化,上部亚相气孔较发育、中部亚相次之、下部亚相气孔发育较少。试验结果表明上部亚相、中部亚相和下部亚相的单轴抗压强度、弹性模量依次增大。凝灰岩在围压下的岩石力学特性遵循脆性岩石的普遍规律;但是由于非均质性、各向异性的影响,凝灰岩的抗压强度和弹性模量随着围压的增大出现波动。流纹岩在单轴条件下表现为沿轴向的劈裂破坏;凝灰岩在围压下的微裂纹起裂方向与轴向存在夹角,最终形成与轴向存在一定夹角的宏观破坏面。火山岩在压缩破坏过程中所产生的应变很小;而且岩石强度和弹性模量较高,这会造成水力压裂过程中的破裂压力梯度高,难以形成裂缝。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

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．     

岩石软化时效变形的弹黏塑性模型表征

为同时描述岩石应变软化以及时间相依的变形特征,基于超固结土的下负荷面模型,依据相对过应力思路,以Hashiguchi的下负荷面为参考屈服面,建立一种能表征岩石软化时效变形特征的弹黏塑性本构模型。相对于原下负荷面模型,新模型增加了2个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数c0和m',并结合岩石的特点用弹性模量E0和变形模量Ed代替原模型中的回弹指数κ与压缩指数λ。新模型采用以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。利用新模型对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证,结果表明:预测结果与试验结果吻合良好;模型参数物理意义清晰、简单可测,能正确描述岩石的率敏性及应变软化等特征,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

评估岩体应力状态防治冲击地压

基于地质动力区划方法，确定区域内的活动断裂，划分岩体断块结构，结合原地应力测量和数值计算方法来评估区域岩体的原岩应力，从而确定研究区域的冲击危险区；然后通过次生应力测量及数值模拟等手段，确定采场及巷道周围次生应力的分布情况。根据对研究区域冲击发生的条件的研究，确定可能发生冲击的采掘布置方式及地点，从而为有针对性地采取防治措施提供依据。