基于数字岩心的页岩储层岩石细观损伤机制研究

岩石损伤对储层的力学性能及渗流特性等具有显著影响。为研究页岩储层岩石的细观损伤机制,基于CT扫描试验重构三维数字岩心,基于单轴压缩试验及巴西劈裂试验获取岩石力学参数,结合岩石塑性损伤本构模型开展了单轴压缩数值模拟。结果表明：(1)页岩受压时,损伤从孔隙密集区开始发展,后损伤值升高,损伤范围扩展,直到各损伤区贯通,形成剪切斜裂缝。(2)压缩损伤和拉伸损伤存在不同的应力阈值,页岩受压时,压应力先达到压缩损伤的应力阈值,压缩损伤最先产生;拉伸损伤在压缩损伤较大处产生,且表现出滞后性,其损伤体积小于压缩损伤。(3)研究区页岩的孔隙等效直径分布范围为0～200μm,其中,等效直径为10～40μm的孔隙对孔隙度的贡献最大。随着孔隙度的增加,峰后强度的下降速度变缓,岩石延性逐渐增大。(4)孔隙空间分布对页岩的损伤扩展形式及破坏形式存在极大影响,引入分形维数表征孔隙空间分布的复杂程度,发现孔隙的分形维数仅在孔隙度较大时才影响岩石的峰值强度,相同孔隙度下,分形维数越大,峰值强度越低;分形维数对岩石弹性模量的影响极小;孔隙度和分形维数对岩石的损伤体积均存在较大影响,孔隙度和分形维数越大,损伤体积越大。     

模袋混凝土干湿-冻融侵蚀孔结构的分形特征

为探究干湿-冻融循环作用下模袋混凝土损伤特征,基于扫描电镜(SEM),结合差分盒维数法,计算得到了其分形维数的微观损伤演化特征;又基于核磁共振试验(NMR)的T2谱计算了孔隙体积的分形维数,发现孔隙结构具有分形特征,并推导了孔隙度、渗透率与分形维数之间的数学关系;进一步,结合分形理论,以相对动弹性模量为损伤指标,建立了...     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系。本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征。研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低,且试样内部的孔隙具有明显的分形特征,随着剪切速率的增加,孔隙分形维数先下降后上升;分形维数的变化与滑带土残余强度具有显著的高斯函数变化关系。该成果可为相关滑坡岩土体力学性质的研究提供一定的理论依据。     

分形理论在岩石孔隙结构研究中的应用

岩石的孔隙空间具有良好的分形特征,孔隙结构的分形维数可以定量描述孔隙结构的复杂程度和非均质性.应用分形几何的原理,研究了低渗透储层岩石的孔隙结构,建立了毛细管压力和孔隙大小概率密度分布的分形几何模型.并根据毛细管压力曲线资料计算了孔隙结构的分形维数和孔径大小的概率密度分布.计算结果表明,用该方法研究孔隙结构不仅简单易行,而且精度很高.     

砂岩颗粒孔隙分布分形特征与强度相关性研究

岩石的组成成分与内部结构对强度特性起到决定性作用,基于砂岩细观尺度下物质与结构研究,采用分形维数理论与数值计算相结合的方法构建颗粒孔隙分布特征与力学强度的相关关系,实现对岩石强度特性的快速评价与估测。结果表明:(1)颗粒孔隙呈偏态分布,即试件内部存在大量小尺寸颗粒孔隙,大尺寸颗粒孔隙较少,当颗粒几何比越接近1,表明颗粒圆度较高,否则多为针形或柱状颗粒密集分布;(2)采用直方图双峰法确定的合理阈值可以增加孔隙定量表征试验的可操作性,有益于对尽可能多被筛选中的颗粒孔隙面积、数量、尺寸等9项指标的提取;(3)表征单元格尺寸确定后,分形维数不随之相对变化。颗粒孔隙分布具备分形特征,可用维数来表征颗粒孔隙分布的复杂程度,即分布越复杂,维数值越大;(4)分形维数与岩石强度具有显著的负相关关系,相关度为0.834,即随着分形维数的增大,试件的强度逐渐降低。     

岩体轴向抗压强度与变形尺度效应的节理分布影响

 采用相似模拟材料,用预置硫酸纸模拟试件节理,研究5种分形节理岩体的轴向抗压强度和变形的尺度效应,获得同一尺度下岩体强度和变形随节理分形维数变化的试验数据。在分析强度与变形受尺度和节理分布维数单因素影响规律的基础上,建立二维影响关系经验公式。试验结果表明,岩体强度和变形模量均随尺度和节理分形维数的增加而降低,泊松比则随尺度和分形维数增加而增加;试件破坏的总体规律是随尺度和节理分形维数增加,岩石的延性增加,但破坏过程与方式受节理分布的控制。     

桥梁用高性能混凝土养护龄期对弹性模量和孔隙结构的影响

混凝土养护龄期对混凝土弹性模量和和孔隙结构都会产生重要影响,通过研究桥梁用C50高性能混凝土的弹性模量随龄期增长的发展规律,利用压汞测试仪对龄期为5、28 d混凝土的孔隙结构进行了测试,并引入分形理论分析了混凝土的孔隙结构,进而分析了养护龄期对弹性模量和孔隙结构的影响。结果表明:养护龄期对混凝土性能和孔隙结构有较大的影响,混凝土表观性能与孔隙结构之间存在密切关系;随着混凝土养护龄期的增大,混凝土弹性模量不断增大,混凝土孔隙率不断减小,同时孔径分布更加均匀,混凝土更加致密。分形维数和孔隙率变化趋势相反,分形维数随孔隙率增大而减小,混凝土的孔体积分形维数随弹性模量的提高而变大。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别方法及应用

以砂岩薄片微观图像为例,研究了岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别、定量化和统计分析方法。通过多颜色分割和去杂等操作获得二值图像;提出改进的种子算法来封闭特定直径的孔喉,并自动分割和识别不同的孔隙和颗粒;引入了概率统计的方法,实现了由二维颗粒面积计算颗粒系统的三维分选系数;使用概率熵和分形维数分别来描述颗粒和孔隙的定向性和形状复杂度的变化等。在理论研究基础上,研发了孔隙(颗粒)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS),通过简单操作即可得到颗粒和孔隙各种几何参数和统计参数。实例中,将PCAS应用于高孔隙度砂岩压密带微观形成机制研究。图像分析结果表明:(1)颗粒和孔隙得到了准确地识别量化,统计参数有效地描述和区分了不同的砂岩微观结构;(2)与V型压密带相比,产生平直型压密带的砂岩具有较大的孔隙度和平均孔隙面积,以及较好的颗粒分选性。研究表明砂岩压密带形态与其微观结构紧密联系,所采用的微观结构识别和分析方法可行。     

致密砂岩储层孔隙结构的分形特征——以新立油田扶杨油层为例

为了探究致密储层的孔隙结构特征,首先,应用分形理论,对新立油田扶杨油层的致密砂岩的孔隙结构进行了核磁共振和压汞法表征,表征结果显示核磁共振T_2与孔隙大小的关系更符合幂函数关系,而不是线性关系;然后,利用核磁共振T_2谱计算了微孔、中孔和大孔的分形维数;最后,分析了由核磁共振T_2谱计算得到的不同孔径分形维数与致密油砂岩岩石物理性质的关系。分析结果表明:中孔对岩石物理性质的影响最大,随着中孔和大孔分形维数的增加,岩心样品孔喉尺寸呈指数下降,渗透率、孔隙度和RQI显著下降,岩石物性变差。     

裂隙岩石非饱和渗流模型研究

由于岩石裂隙的分布遵循分形分布,在研究裂隙岩石非饱和渗流时,本文基于毛细吸持理论和分形理论,建立了分形维数与有效饱和度,水力传导系数间的关系,该模型为裂隙岩石非饱和渗流分形模型。探讨了分形维数与裂隙渗透率以及孔隙度的关系,本模型包含了Brook-Corey模型,当裂隙开度范围较大时,本模型与Brook-Corey模型一致。当裂隙开度范围不大时,本模型可以很好地描述有效饱和度、水力传导系数,因此,能比较好地描述岩石裂隙非饱和渗流特征,而此时Brook-Corey模型描述岩石裂隙非饱和渗流具有较大的误差。     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明:决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质(水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向)的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

膨润土溶出性侵蚀分形模型的数值模拟研究

分析膨润土的微观结构,可得到一维侵蚀模型的控制方程。但作为多孔介质,膨润土孔隙结构具有分形特征,不能由传统几何来准确描述。基于分形毛细管束模型,采用孔隙面积分形维数和孔通道弯曲分形维数分别描述孔隙大小分布和孔隙通道弯曲程度,得到了孔隙率、分形维数与Kozeny-Carman常数的关系式,完善了一维侵蚀模型。通过对模型影响因素的分析得出:随着电解质溶液浓度的增大,膨胀力变小;表面电荷密度增大,膨胀力也增大;初始体积分数增大,膨胀力变大。     

基于分形理论的土体微观结构研究

土体的微观结构对土的工程性质具有重要的影响.基于分形理论适合于研究复杂不规则图形的特点,介绍了分形理论在土体微观结构研究中的作用,定义了研究土体微观结构的平面分形维数.利用光学显微镜对不同应力路径三轴试验的土样进行孔隙大小及分布的对比研究.利用MATLAB语言编写程序,对土体微观结构图片进行了平面分维计算,分析了不同应力路径试验后土体微观结构的分形特征.分析结果表明,土样的微观结构具有分形特征,其平面分维在1.5～2.0之间;土体越松散,平面分维的数值越大.     

分形截距对应力波能耗影响规律的试验研究

 分别进行粗糙断裂面的扫描试验和节理花岗岩的冲击动力学试验,探讨节理面的几何构型特征及其对应力波能耗的影响规律,建立当分形维数满足条件2.0≤D≤2.2时分形截距与应力波穿越节理时截距贡献能耗比之间的定量关系。研究结果表明,当分形维数在区间2.0≤D≤2.2时,分形维数对总能耗比的贡献仍然占绝对的主导地位,但此区间内分形维数对总能耗比贡献是一常量,总能耗比的增量由分形截距决定。节理岩石的截距贡献能耗比随分形截距的增大而减小,两者间呈非线性关系;机制分析显示,分形截距大,则对应剪切刚度大,在相同的冲击荷载条件下,剪切位移则相应较小,冲击过程所做功则较小,耗散的应力波能量也相应越小。从微观角度看,节理岩石的分形截距大,冲击加载工程中,发生微小塑性变形、断键、分子间撞击的几率将大大降低,因而耗散的应力波能量也越小。     

分形维数定量表征煤岩储层非均质性

针对传统方法难以定量描述煤岩储层非均质性的问题,提出了一种新的适用于煤岩的毛管压力模型,来评价煤岩储层的非均质性。该模型基于分形理论,引入孔隙分布指数,并考虑迂曲度参数的影响,通过恒速压汞法测量某煤矿的煤岩岩心的孔隙度、渗透率,得到毛管压力曲线,对毛管压力曲线进行拟合得到分形维数;利用孔隙大小分布曲线,分析并验证计算得到的分形维数,与其他几种常用的计算分形维数的方法相比,该方法更精确可靠。最后定量分析分形维数与非均质性的关系及分形维数与煤岩的孔隙喉道,以及孔隙度和渗透率的关系,结果表明,该方法可以定量评价煤岩储层的非均质性。     

弱胶结砂岩水致软化机理研究

为探明西北地区广泛分布的弱胶结砂岩在富水情况下的变形破坏机理，实现TBM快速掘进，首先对其力学特性进行了研究，结果表明围岩具有较明显的水致软化性质，在富水情况下岩石强度及弹性模量等力学参数会出现明显下降。采用钨灯丝扫描电子显微镜对岩样全貌、局部、孔隙的微观结构进行观察，结果表明岩石裂隙发育，由大小粒径不同的颗粒构成，裂隙由微米级的矿物填充，浸水后颗粒之间孔隙更加明显，岩块完整程度降低，能看到白色丝状的黏土矿物；数值模拟结果表明浸水前水平位移与竖向位移分别是63、112 mm，浸水后水平位移与竖向位移分别是86、182 mm，说明围岩在富水条件下变形量更大，浸水前塑性区基本全是剪切塑性区，面积达到23.22 m²，浸水后塑性区范围从顶底板扩散到帮部，塑性区面积急剧增大且出现拉伸破坏区，剪切塑性面积为89.87 m²，拉伸塑性面积为3.41 m²，是导致围岩顶板冒落的最危险区域，与现场实际表现出顶板冒落、帮部剥落的破坏现象相符。     

混凝土孔隙分形与其徐变特性关系的试验研究

孔隙分形维数是表征材料孔隙分布特征的统计参量,与材料力学强度之间必然存在一定联系。采用压汞测孔法对不同龄期的混凝土试块的孔隙体积分形特性进行了试验研究,得到了孔隙体积分形维数随龄期的变化规律;结合混凝土的徐变特性试验,探讨了孔隙体积分形维数与徐变特性之间的关系。试验结果表明:孔隙体积分形维数随龄期的增长而呈对数型增长,且随着混凝土的孔隙体积分形维数的增大,其徐变变形量和徐变变形率均有所减小。因此,孔隙体积分形维数通过表征孔隙的变化特性间接反映了混凝土强度的变化,表现出了分形维数与宏观力学强度之间的某种关系。本文仅供工程人员参考。     

混凝土孔隙分形与其徐变特性关系的试验研究

孔隙分形维数是表征材料孔隙分布特征的统计参量,与材料力学强度之间必然存在一定联系.采用压汞测孔法对不同龄期的混凝土试块的孔隙体积分形特性进行了试验研究,得到了孔隙体积分形维数随龄期的变化规律,结合混凝土的徐变特性试验,探讨了孔隙体积分形维数与徐变特性之间的定量关系.试验结果表明:孔隙体积分形维数随龄期的增长而呈对数型增长,且随着混凝土的孔隙体积分形维数的增大,其徐变变形量和徐变变形率均有所减小.因此,孔隙体积分形维数通过表征孔隙的变化特性间接反映了混凝土强度的变化,分析了分形维数与宏观力学强度之间的关系.     

与水泥基材料渗透性相关的分形孔隙模型的研究

混凝土结构耐久性问题是当今工程界普遍关注的问题,混凝土渗透性是评价耐久性的重要指标.本文引入分形理论,将水泥基材料看作是具有分形结构的空间载体,研究内部孔隙的分形特征,分析孔隙的复杂程度及对渗透性的影响,并引入孔隙分布分形维数D以及孔隙通道的弯曲分形维数DT,得出分形渗透率的公式.