板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

层状岩体剪切强度与破坏规律分析

对用类岩石材料自制的层状岩体试样,开展了一系列的直剪试验,研究了层理面倾角和层理面间距对岩体抗剪强度的影响,分析了层状岩体剪切破坏形态的规律。试验结果表明:层理面倾角为0°时,试样的抗剪强度最低;层理面倾角为30°时,试样的抗剪强度最高;层理面间距越大,试样的峰值抗剪强度也越高;层状岩体试样的剪切破坏形态,按其破坏机理可分为滑移、剪断和张拉断裂破坏3种。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

焦石坝地区页岩气水平钻井井壁稳定性实验研究

为揭示涪陵焦石坝地区页岩储层井壁岩石垮塌失稳诱因,探索页岩气水平井井壁垮塌主要控制因素,应用室内力学实验测试方法,研究了井下应力环境下页岩岩体力学空间各向异性及层理缝面力学性质,并结合焦页1HF井水平井实钻井下复杂情况,探讨了页岩的独特力学特性及其影响井壁岩石垮塌失稳的力学机理。实验结果表明:焦石坝页岩岩体平行层理极为发育,层理缝面间力学强度弱,沿层理走向的页岩剪切强度远低于垂直层理走向;焦石坝地区页岩具有极强的力学参数各向异性,页岩的力学参数变化与取心方向密切相关,当取心方向与层理法向夹角β满足β=0°和β=90°时,页岩力学强度最高,在30°β90°范围内,页岩力学强度呈先减小后增加的趋势,β=60°时,页岩力学强度最低。该研究成功解释了涪陵焦石坝地区页岩水平钻井井壁岩石垮塌失稳的力学主控因素,为焦石坝地区页岩气水平钻井井身结构及工程参数优化设计奠定基础,具有较高的现场应用价值。     

土石混合体直剪试验的破坏特征及抗剪强度取值方法研究

在土石混合体直剪试验中,抗剪强度值的确定往往采用经验方法,较少考虑试验过程中剪应力-剪切位移关系曲线变化特征和剪切面破坏特征。基于此,特选取三峡库区典型土石混合体库岸边坡,现场采集试样,进行不同含水率的土石混合体大试样室内直剪试验,重点对剪应力-剪切位移关系曲线变化特征、剪切面破坏特征以及直剪试验中的剪切“跳跃”进行详细分析,并提出用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来分析土石混合体的抗剪强度的方法。该方法具有较好的物理意义,比常规的取值方法更能反映土石混合体特殊的结构特征,值得工程设计计算参考借鉴。     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

测定各向异性砂土抗剪强度特性的新型直剪装置及初步应用

各向异性颗粒材料的变形和强度与相对于沉积方向的剪切方向或大主应力作用方向相关。为研究各向异性颗粒材料任意剪切面的抗剪强度特性,研制一套可实现剪切面与沉积面的夹角 在0°～180°全定义域区间任意变化的直剪试验装置。所研制的直剪盒的特点是各侧壁均独立可拆卸,因此在制样过程中可根据不同的需要进行组装,使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。在验证该直剪试验装置有效性的基础上,对福建标准砂进行 在0°～180°范围内、间隔为15°的系列直剪试验。试验结果表明： 在0°～90°区间的某个面相对应有最小峰值内摩擦角,此后峰值内摩擦角随 的增加而增加;但具有最大峰值内摩擦角的面不是与沉积面垂直即 = 90°的面,而是 ＞90°(?≈105°)的某个面。材料各向异性程度不同,相对应最大和最小峰值内摩擦角的 亦不同。     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

裂隙岩体的一体两介质模型抗剪性能研究

 裂隙薄弱层与岩石接触面的抗剪强度是影响裂隙岩体稳定的重要参量。采用一体两介质力学模型研究裂隙岩体接触面的力学性能。按照著名的Barton试验所采用的粗糙界面,以砂浆和混凝土构造5种JRC曲线的接触面,并采用自创的双指标描述系统--考虑粗糙度的改进分维值指标Rd和考虑起伏度的形状因子? 对接触面形貌进行定量描述。Rd-? 描述系统的优点在于：不仅能描述粗糙程度,还能解释同一粗糙界面上当受力方向不同时,其界面抗剪力学性能显著不同的事实。通过直剪试验,分析岩体接触面的破坏状态及剪切应力–剪切位移曲线,确定影响抗剪强度的主要因素为接触面粗糙起伏形貌、法向力、界面材料的黏结强度等,并借助试验结果,拟合得到考虑上述影响因素,以Rd-? 描述系统表达的剪切强度公式。将提出的剪切强度公式与其他试验获得的剪切试验结果做对比分析,证实该剪切强度公式的正确性。     

Laboratory study on the mechanical behaviors of an anisotropic shale rock

Shale gas is becoming an important energy source worldwide.The geomechanical properties of shale rocks can have a major impact on the ef fi ciency of shale gas exploration.This paper studied the mineralogical and mechanical characteristics of a typical gas shale in Ohio,USA.Scanning electron microscope(SEM)with energy dispersive X-ray(EDX)analyses was employed to measure the microstructure and material composition of the shale rock.The anisotropic behaviors of shale rock,including compressive and tensile strengths,were experimentally measured.The characteristics of shale rock were also studied by nondestructive wave speed measurements.The shale demonstrated strong anisotropic behaviors with the tensile strengths perpendicular to the bedding plane around 300e360 times of that parallel to bedding plane.Results of ultrasonic tests indicated that both compression and shear wave velocities show strong anisotropic patterns.The compression wave speed was the smallest in the direction perpendicular to the bedding plane;while the shear wave speed was the smallest in the direction parallel to the bedding plane.The ratio of wave speed anisotropy is around 1.3e1.4 for compression wave;the ratio of shear wave speed anisotropy is larger and more diverse compared with the compression wave anisotropy.This might be related to the larger variability in the frictional adhesive strength along bedding plane than the compressive adhesive strength.     

基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数

 目前用于评价页岩可压性的脆性指数大都孤立地考虑峰值前后的力学特性,并不能反映岩石整个破坏过程的脆性特征。基于岩石的全应力–应变曲线,分析岩石材料由塑性变形转化为脆性断裂过程中各种应变能的演化规律,认为峰前耗散能和峰后断裂能水平是决定岩石是否发生脆性断裂的本质因素。结合这2种能量建立能反映岩石破坏前后力学特征的脆性评价指数,对不同岩石材料在不同围压下的脆性特征以及页岩脆性的各向异性进行评价。研究结果表明：建立的脆性评价指数能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱,可评价不同力学条件下的脆性变化特征。不同岩石材料峰前耗散能以及峰后断裂能随着围压增大而增大,脆性程度不断降低,但降低趋势有所不同,红砂岩和页岩分别在低围压时和高围压时出现了脆–塑性的转化,而花岗岩在围压不断增大的整个过程中都保持着较强的脆性。另外页岩脆性具有明显的各向异性,不同层理方向的页岩所表现出的脆性程度差异显著,随着层理倾角?的增大,页岩脆性表现出稳–减–增的变化趋势,? = 0°时页岩的脆性程度要强于? = 90°时,? = 60°时页岩脆性最弱且表现出很强的塑性特征。实验结果很好地验证了提出的脆性指数的可靠性,研究成果为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路。     

循环剪切荷载作用下岩石节理强度劣化规律试验模拟研究

 采用水泥砂浆为相似材料,制备5种起伏角度、3种岩壁强度的锯齿型节理试样。利用自行研制的节理循环剪切试验机,对制备的节理试样进行4种法向应力下的循环剪切试验。根据循环剪切试验过程和试验曲线,分析单个剪切循环中应力–位移曲线的峰值强度特点,以 来表示节理在第n个剪切循环中的峰值剪切强度;并进一步定义 = / 为剪切强度比,来表征节理在循环剪切荷载作用下经历一定剪切循环后峰值强度的劣化程度。基于多种条件下的节理循环剪切试验结果和定义的指标,分析峰值剪切强度 随循环剪切周期N的变化规律;并通过对比不同工况的试验结果,分析起伏角度、法向应力、岩壁强度对循环剪切荷载作用下节理强度劣化规律的影响。