岩石全应力-应变过程渗透性试验研究

为了探讨岩石变形过程中渗透性变化的特点 ,对软、硬岩进行了不同压力条件的全应力 -应变过程渗透性对比试验。试验结果反映出在变形过程中不论是渗透性 -应变关系特点 ,还是渗透性量值 ,软岩和硬岩均表现出明显差异。在对比分析试验所获得的应力 -应变、渗透性 -应变关系特点基础上 ,分析探讨了软、硬岩石全应力 -应变过程渗透性差异的主要原因 ,认为岩石变形破坏过程的渗透性主要取决于变形破坏的形式和特点。     

北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究

针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题,进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关联性。结果表明,北皂海域煤矿顶板为典型的软岩,可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组,全应力–应变过程岩样渗透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间;砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比,其变形破坏曲线更为均匀;用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化规律。     

岩石全应力应变过程对应的渗透率－应变方程

本文得到的试验结果证实岩石的渗透系数或渗透率在全应力应变过程中是应力应变的函数，并拟合出岩石的渗透率－应变方程。该方程用在应力场－渗流场耦合的数值分析中，能使计算结果更符合工程实际。     

岩石全应力应变过程对应的渗透率－应变方程

本文得到的试验结果证实岩石的渗透系数或渗透率在全应力应变过程中是应力应变的函数，并拟合出岩石的渗透率－应变方程。该方程用在应力场－渗流场耦合的数值分析中，能使计算结果更符合工程实际。     

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统，通过数值试验，很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律，包括岩石在应力．应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。     

细砂岩破坏全过程渗透性与声发射特征试验研究

为探讨细砂岩变形破坏过程中的渗透特性及声发射特征,采用MTS 815岩石力学试验系统及PAC PCI–2声发射测试工作站,对细砂岩进行三轴压缩条件下的渗透性和声发射特征试验,分析全过程中渗透率的变化规律、渗透率–应变关系、声发射特征及其与渗透性之间的关系。研究表明:细砂岩变形破坏过程中渗透率随应力–应变曲线呈阶段性变化,不同围压下渗透率的变化规律相似,随着围压升高,渗透率量值降低;横向应变ε3与渗透率K随轴向应变ε1的变化规律基本一致,横向变形增加的突变点与渗透率的突变点相对应,更能反映渗透性的变化;声发射特征反映了细砂岩变形破坏过程中裂纹的发展、演化过程,声发射和应力–应变、渗透率均具有很好的相关性;声发射特征参数能量率随围压升高而增大。基于声发射特征的分析能更好地揭示岩石变形破坏过程中裂纹的产生和发展状况,有助于深入认识岩石渗透性的变化机制。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

岩石渗透率与应力、应变关系的尖点突变模型

应用突变学理论,研究了试验全过程中渗透率与应力、应变之间的关系,建立了岩石渗透率与应力、应变关系的尖点突变模型。实例分析表明:尖点突变模型用于描述渗流条件下岩石应力、应变关系是恰当的。     

煤岩全应力应变过程体应变对渗透率的影响

利用自制 WSD-800电液伺服试验装置,将取自南桐东林煤矿6#煤层的煤加工成成型煤样作为研究对象,分别通入He、N₂、CH₄、CO₂气体研究了其全应力-应变过程中的变形特性、有效应力、体应变与渗透率关系。结果表明:(1)型煤样在整个全应力-应变过程中,渗透率与体应变变化关系密切。渗透率先随体应变的增加而降低,到达应变屈服点时渗透率最低,然后随体应变减少而增大。(2)通入的气体不同时,型煤样在全应力-应变过程中体应变随轴向应变变化的变化梯度不同;其梯度的变化与变形的泊松比有关。(3)不同气体条件下的型煤样的渗透率与体应变呈负指数关系。研究成果可为研究煤矿地下开采煤岩体的变形和高效抽采瓦斯提供参考。     

岩石变形与渗透率演化关系研究

针对带压开采煤层底板岩层阻水性问题,进行底板岩体试样伺服渗透试验,分析了岩体试样渗透率与变形破坏演化相互关系.结果表明,全应力-应变过程岩样渗透率可划分为原始空隙渗透率和加载破坏渗透率两种,在压密-弹性段内,岩石的渗透率多表现为原始空隙渗透率,稳定破裂-裂纹扩展段内,则多表现为加载破坏渗透率;岩石突增点处应力、应变为峰...     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。     

孔洞型碳酸盐岩应力敏感下孔隙结构CT研究

目前储层应力敏感性研究在微观孔隙结构层面研究不足,本文选取川中地区震旦系灯影组四段气藏孔洞型碳酸盐岩心,进行原位CT的应力敏感试验研究。试验表明:孔洞型碳酸盐岩的渗透率随地层有效应力的增加明显下降;有效应力的增加造成岩心的孔隙体积、孔喉直径、喉道长度均变小;岩心的孔喉直径分布曲线和喉道的概率分布曲线向橫坐标轴负方向偏移,形状因子的概率分布曲线向橫坐标轴正方向偏移,在不同的压力阶段对不同尺寸、形态的孔隙影响不同,对于微小孔隙和喉道伤害明显,孔喉连通性变差;压力变化造成岩心微观孔隙结构变化导致岩心渗透率下降,且随着有效应力降低岩心渗透率不能完全恢复,表明应力敏感造成不可逆伤害。     

压实高岭土干燥收缩特性试验

为研究初始干密度和初始含水率对高岭土干燥收缩行为的影响,探究其干燥收缩机理,采用数字图像相关法来测量环刀试样的径向变形,在设计的干燥收缩试验平台进行了一系列干缩试验,结合试验得到的收缩曲线和相应的土水特征曲线获得吸应力固结曲线。结果表明:饱和高岭土大部分收缩变形发生在进气点之前的饱和状态;试样在干缩过程中以径向变形为主,表现出比较明显的各向异性,这种各向异性的变形特性随初始饱和度的增加而减弱;随着初始干密度增大,试样干燥收缩稳定所需要的时间逐渐减小,稳定时的体积变形也相应减小,然而试样的初始干密度和饱和度对收缩变形稳定时的含水率几乎没有影响;吸应力固结曲线与饱和土的等向固结曲线近似重合的曲线形态表明吸应力和净平均应力对土收缩变形的作用效果是一致的;在等向应力条件下,有效应力是影响土体干缩变形的决定性应力;提出的结合干燥收缩试验和等向固结试验曲线的间接测量土水特征曲线的方法是相对可靠的。     

峰后砂岩非Darcy流渗透特性的试验研究

研究高应力状态下，尤其是峰后低围压下岩石的渗透性具有十分重要的现实意义。利用获得专利权的岩石渗透试验装置与MTS815．02岩石力学伺服试验系统相配套，用来测试单轴峰后给定应变状态下岩样的非Darcy流渗透特性。在阐述岩石Darcy流渗透性的测试原理及误差的基础上，介绍了峰后岩石非Darcy流渗透特性的测试原理、试验系统与测试方案，并给出峰后中砂岩非Darcy渗透特性的试验结果。试验数据表明，单轴峰后应力状态下中砂岩的渗透率k与峰前比较有量级增加，峰后k值随轴向应变ε增长呈二次抛物线关系。