利用爆炸技术改善低渗透储层的实验研究

 为了更好地开发低渗透油气藏,首先介绍“层内爆炸”增产技术的基本思路,然后用水中炸药界面爆炸对水泥试样损伤破坏的实验来模拟水力裂缝“层内爆炸”增产中激波使岩石损伤开裂的现象。通过实验观察到3个损伤区域：压剪损伤区,拉伸损伤区和边界损伤区,并且微裂纹的启裂扩展与水泥试样的初始损伤有关。分析发现：压剪损伤区和拉伸损伤区内裂纹的密度与装药量相关;压剪损伤区和拉伸损伤区半径分别为装药当量半径的2～5和20～30倍;量纲分析表明,损伤区半径与装药当量半径成线性关系。通过简易渗透率实验,发现压实区有一定的渗透率,这对“层内爆炸”采油技术的研究具有重要意义。最后,定性分析激波在试样中的传播过程以及试样微裂纹的启裂扩展机制。     

基于黏结裂缝模型的混凝土细观损伤模拟

将混凝土视作由骨料、砂浆和交界面层(ITZ)构成,采用黏结特性描述材料界面间的相互作用,建立了混凝土细观黏结裂缝有限元模型。定义混凝土的微裂纹密度和裂纹聚合程度两种损伤度量参数,描述微裂纹的起裂、生长与相互连接汇合乃至试样失效过程。通过对10个试样的拉伸模拟发现了单主裂纹和双主裂纹两种失效模式。对试样平均应力、微裂纹密度和裂纹聚合程度与应变之间关系的分析表明,混凝土在损伤失效过程中存在明显的微裂纹成核区与裂纹聚合区。微裂纹成核造成的初期损伤具有随机性与全场性,导致试样在峰值应力前出现非线性。裂纹聚合造成的后期损伤具有局部化特征,是导致峰值应力后软化的直接原因,并且裂纹聚合程度损伤变量能够反映不同拉伸失效模式的软化特性。     

压实黏土梁弯曲开裂性状试验研究

裂缝的存在显著降低黏土层的防渗性能。研制了土梁弯曲试验装置,研究了不同含水率压实黏土梁张拉开裂性状,分析了裂纹扩展过程,并采用PIV技术揭示了裂纹尖端的应变局部化现象,获得了不同含水率下压实黏土的开裂应变。试验结果表明:三点弯梁拉伸区可能出现多个应变局部化区域,其中靠近跨中的一个发展为宏观裂纹;裂纹宽度随中点挠度近似呈线性增长,且受含水率影响较小;含水率对土梁开裂特性和开裂应变影响很大,随着含水率由32.6%增至37.0%,土梁断裂挠度显著增加,裂纹尖端的应变局部化区域变大,开裂应变从2.4%增大至4.1%,跨中荷载挠度曲线呈现由跳回型向跳过型变化,荷载峰值明显降低,土梁由脆性断裂逐渐转变为延性断裂。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程的CT试验研究

对静力、动力拉伸荷载条件下混凝土的细观破损过程进行了CT试验研究,获得了试样内部裂纹萌生、扩展、贯通的全过程CT图像。通过对CT图像及图像兴趣区中整体统计区域、局部统计区域CT数均值的分析,研究了混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程。结果表明:静力拉伸荷载条件下,裂纹在界面的薄弱区域形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展,两个统计区域CT数均值呈降低趋势,试样破坏时伴有少量骨料被拉断的现象;动力拉伸荷载条件下,裂纹从界面薄弱区域形成后追随最快的路径扩展,局部统计区域CT数均值呈下降趋势,而整体统计区域CT数均值变化幅度较小,破坏后骨料沿界面脱离砂浆粘结,且试样破裂面更为平整;由于加载速率的提高,骨料被拉断的现象非常显著。     

冲击荷载下水泥基材料的冲击损伤研究

内蒙古中西部地区的道路桥梁等基础设施,由于长期遭受风沙颗粒介质的冲击磨损而严重影响了其耐久性和安全性。采用冲击球压法对不同水泥基材料进行垂直冲击损伤试验,分析了不同水泥基材料的抗冲击损伤特性。结果表明:相同冲击荷载作用下,混凝土表面抗塑性变形能力最强,砂浆和水泥石较弱,三种试样表面弹性特征依次表现为混凝土试样砂浆试样水泥石试样;三种试样在冲击荷载作用下的冲击压痕值均较为离散,且冲击压痕值随冲击荷载值的增加整体上均呈先快速增长后趋于平缓的增长趋势;混凝土和砂浆试样压痕损伤区内部产生许多了径向微裂纹,属于延性破坏,水泥石试样压痕损伤区产生同心不同半径的环向裂纹,属于脆性破坏。研究成果将为风沙环境下水泥基材料的耐久性研究提供依据。     

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

激波作用后水泥试样渗流评价实验研究

在水中激波对饱和水泥试样冲击实验的基础上,通过弹性波速测量、孔隙度测量和渗透率测量实验,利用量纲分析确定了引起水泥损伤的主要因素,并确定出激波压力和弹性波速平方的线性关系,使用经验公式回归出弹性波速和裂缝孔隙度的关系,最后通过离散裂缝模型简化求出裂缝渗透率和裂缝孔隙度的计算公式。通过以上关系,找出激波压力对裂缝渗透率的提高作用,得出激波压力和裂缝孔隙度为二次多项式关系,确定出提高水泥试样渗透率最优的动载荷条件。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。     

碳化对混凝土断裂能的影响

通过加速碳化试验和三点弯曲试验,研究碳化对混凝土断裂能的影响.试验结果表明,随断裂韧带高度增加,断裂能增加;随水胶比减小,试件的断裂能增大;试件碳化后断裂能提高.     

混杂钢纤维二级配混凝土断裂性能试验研究

通过混杂钢纤维二级配混凝土的三点切口梁断裂试验,研究不同钢纤维体积掺量(0.5%,0.8%,1.0%,1.2%)、不同钢纤维长度(30mm,60mm)混杂使用以及水灰比对钢纤维二级配混凝土的P-CMOD曲线、起裂韧度、失稳韧度和断裂能的影响,并基于损伤力学理论,建立混杂钢纤维混凝土断裂损伤弯拉应力-应变关系。结果表明：掺入钢纤维的二级配混凝土相比于基体混凝土延性更好;不同长度钢纤维混杂使用对二级配混凝土的断裂韧度和断裂能有不同影响,试验范围内,钢纤维二级配混凝土断裂韧度提升最佳的优化组合为钢纤维掺量1.2%、长纤维占比50%、水灰比0.58;断裂能提升最佳的优化组合为钢纤维掺量1.2%、长纤维占比65%、水灰比0.33;文中建立的混杂钢纤维二级配混凝土弯拉应力-应变模型与试验结果吻合较好。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。     

钢纤维水泥基复合材料断裂的K R曲线研究

基于Wallin阻力曲线模型,结合纤维增强复合材料断裂理论,提出了钢纤维水泥基复合材料的K-R曲线模型.通过定向与乱向两种纤维分布形式以及不同尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,验证了K-R曲线模型的合理性与适用性.结果表明:K-R曲线模型能够有效描述不同钢纤维分布形式下水泥基复合材料的断裂过程,且理论预测的峰值荷载与试验结果偏差较小.该模型可为钢纤维水泥基复合材料的断裂参数尺寸效应研究提供新方法.     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象