黏土动、静弹性模量相关性试验研究

从实地黏性土的工程特性和动力特性试验入手,通过标准击实试验、抗压试验和波速测定等,并对7个样品的动、静态弹性参数进行测试、分析,研究不同含水率黏土样品的动、静态弹性参数试验和两者之间的转换关系,提出将含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,建立该黏土的动、静态弹性模量和动、静态泊松比之间的转换关系。试验结果表明：（1）动、静态弹性模量和动、静态泊松比与含水率之间存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量随含水率的升高而减小,动、静态泊松比随含水率的增加先增大后减小再增大,而动、静态弹性模量之比随含水率的升高而增大,动、静态泊松比之比随含水率的升高先减小后增大再减小（;2）动、静态弹性模量之比、动、静态泊松比之比与含水率密度之比之间也存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量之比随含水率与密度的比值的增大而增大,动、静态泊松比之比随含水率与密度的比值的增大呈减小趋势;（3）动态弹性模量大于静态弹性模量,动态泊松比小于静态泊松比;（4）含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,具有高的拟合精度;（5）动、静态泊松比随含水率的变化较弹性模量随含水率的变化小,动静泊松比之比随含水率与密度的比值的变化也较动、静态弹性模量随含水率与密度比值的变化小。该项研究为黏土动弹性模量在工程实际中的应用提供了试验依据,且为黏土的动、静弹性模量关系研究提供新的研究方法。     

储层砂岩岩石力学性质与地层条件的关系研究

利用ＭＴＳ公司生产的地层条件下岩石物理参数综合测试系统对陕甘宁盆地西南部埋藏深度１４００～１７００ｍ三叠系延长组储层砂岩进行了模拟地层条件（包括地层围压、加温、饱水及改变样品方向等）的岩石力学性质测试,获得了该地区延长组储层砂岩在不同围压条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度。求得了地层条件下不同钻井、不同方向样品的弹性模量、泊松比和抗压强度、围压之间的关系;对比了饱水和不饱水条件下的这些岩石力学性质的差别。为该地区储层砂岩地层条件下岩石力学性质的研究提供了一些基本参数     

多相岩石弹性特征的试验研究及其在地层评价中的一些应用

弹性特征是岩石的基本物理特征,是弹性波传播和岩石力学问题分析的基础.岩石是矿物的集合体,是典型的多相混合介质.岩石的性质不仅取决于构成岩石的固相和流体的特征,还与固-流两相的排列方式有关.本文将岩石视为多相体,从各组成相的弹性特征和组成相之间的相互作用来研究岩石的弹性特征.(1)开展了多相岩石固相体积模量的试验测试.利用"不套封”压缩试验测试了砂岩、花岗岩和熔融氧化硅的固相体积模量.测试表明,砂岩的固相体积模量可在38GPa左右发生较大变化,与岩石固相的组成成分和胶结物的构造位置等因素有关.(2)开展了岩石中流体弹性特征的试验研究.建立了流体PVT和波速测试系统,在不同温度、压力下,对41个原油样品(主要是含气原油)的密度、波速、压缩系数、热膨胀系数、体积模量以及它们之间的关系进行了试验研究.测试发现,原油的弹性特征取决于其组成成分(溶解油气比RS、原油重度API及气体重度)和热力学环境(温度T和压力P);溶解气对原油弹性特征有很大影响,气体溶于原油将大大降低原油的密度、模量和波速,并使温度、压力对流体弹性特征的影响更加显著;在测试数据范围内,密度随压力线性增大,波速随压力呈现拟线性增大,温度的作用与压力相反;原油的静态(PVT)与动态(波速)弹性参数间存在较强的相关关系,二者之间可以进行相互转换.通过回归分析,建立了原油密度、波速、等温压缩系数、等温体积模量、绝热体积模量和等压热膨胀系数经验关系式.(3)利用弹性波速研究了多相岩石弹性特征的变化规律.得出岩石波速和弹性模量均随有效应力的增大而增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值.干燥岩石对有效应力更加敏感,液体饱和可大大增加岩石的纵波波速和体积模量,但对横波波速和剪切模量影响很小.干燥岩石动态泊松比随应力增大而增大,而除了很低的应力下的数据外,饱和岩石动态泊松比几乎不随应力而变,且高于干燥岩石的动态泊松比.弹性波速、弹性模量均随孔隙度的增大而减小,动态泊松比随孔隙度的增大而增大.在三轴应力下,对岩石动静态弹性参数进行了同步测试,发现,岩石动静态弹性参数有所不同,一般岩石动态模量高于静态模量,测试样品的静、动态杨氏模量之比大多为0.6～0.8.动静态弹性参数差别的本征原因是岩石内部存在裂隙与孔隙流体,外部原因为载荷的应变幅值和频率的不同.Biot孔隙弹性系数也存在动静态的差别,静态值比动态值大,动静态Biot系数均随孔隙度的增大而增大,并随围压的增大而减小.(4)建立了多相岩石弹性特征经验关系式.利用多元非线性分析,对Han和Freund的室内弹性波速测试数据进行了回归,给出了有效应力对水饱和及干燥砂岩弹性波速影响的经验关系式.在临界孔隙度分析的基础上,提出了多相岩石弹性参数通用经验关系式,可用于预测模量、Biot系数、孔隙压缩系数等,也可用于预测强度参数.并利用该经验关系式,对Holbrook地层破裂压力经验关系式进行了修正.(5)将多相岩石弹性特征用于钻井地层评价中.提出了新的地应力计算经验关系式,分析了井眼周围地层中的应力分布以及井壁失稳的力学机理;分析了泥页岩水化膨胀基本规律;建立了固液耦合井壁稳定有限元分析模型;建立了利用测井资料进行钻井地层评价的方法和软件;结合SZ36-1油田进行了岩石弹性和强度特征、地应力和井壁稳定性评价.     

大理岩阻尼参数与动弹性参数的动三轴试验研究

 首次利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,在不同围压下对大理岩进行阻尼参数及动弹性参数的动三轴测试研究。波形为正弦波,频率3 Hz,振动循环30次,动应力上限与下限分别为相应围压下试样抗压强度的0.6倍和5.09 MPa。试验结果表明,大理岩阻尼比、阻尼系数随循环周次的增加而减小,随围压的增大而增大;动弹性模量随循环周次的增加而增大,随围压的增大而减小;各围压下动弹性模量均大于静弹性模量,动泊松比均小于静泊松比,且围压越大,二者差值越大;大理岩在30循环周次以内动荷载作用下,其力学性质会逐渐强化。     

储层砂岩岩石力学性质与地质条件的关系研究

利用ＭＴＳ公司生产的地层条件下岩石物理参数综合测试系统对陕甘宁盆地西南部埋藏度１４００－１７００ｍ三叠系延长组储层砂岩进行了模拟地层条件的岩力学性质测试获得了该地区延长组储层砂岩在不同围压条件下的弹性模量,泊松比和抗压强度。求得出了地层条件下不同钻井、不同方向样吕听弹性模量,围压之间的关系。对比了凶饱和水和不饱水条件下的这些岩石力学性质的差别。该地区储层砂岩地层条件下岩石力学性质的研究提供了一些基     

变围压条件下致密砂岩力学性质实验研究

 储层有效应力改变条件下的岩石力学性质认识对气藏高效开发十分重要，但理想的实验方法及结果较少。为研究气藏开发过程有效应力不断增加时致密砂岩力学性质的变化规律，在GCTS–RTR–1000型三轴岩石测试系统上进行了有效应力不断增加条件下三轴压缩变形实验。实验结果表明，随着围压的增加致密砂岩变形模量和泊松比不断增加。与常规恒定净围压下力学实验对比，在同一净围压下，围压不断增加时的变形模量要高于恒定围压下的变形模量、围压不断增加条件下测得的泊松比则较恒定围压下测得的泊松比低。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

围压对横观各向同性砂岩弹性参数的影响

通过层理面角度为0°、45°和90°的长方体砂岩试样的单轴和三轴试验,直接测量了不同围压下砂岩的5个独立的横观各向同性弹性参数:弹性模量E,E′;泊松比ν,ν′;剪切模量G′。测得了前人难以测量的不同围压下的ν和G′值,得到了横观各向同性弹性参数与围压之间的函数关系,并揭示了弹性参数随围压变化的力学机制。试验结果表明,随着围压增大,弹性模量增大,泊松比减小,剪切模量增大。当围压超过30 MPa时,2个垂直方向的弹性模量、泊松比和剪切模量分别趋于相同值,表现为各向同性。由此可以推断:该砂岩的横观各向同性由内部微裂纹在平行于和垂直于层理面方向分布不均引起,围压升高造成裂纹闭合,最终导致各向异性消失。岩石的裂纹闭合效应可以用裂纹密度来定量评价与描述。     

高温热处理共和盆地干热岩力学特性实验研究

干热岩的力学特性对实现地热能高效开发至关重要。通过GCTS RTR-1500岩石测试系统,辅助以XRD、SEM等测试手段,探讨了温度及围压对干热岩力学特性的影响,分析了温度使干热岩力学性能劣化的机理。研究结果表明:相同围压条件下,随着温度升高,干热岩的力学性能逐渐劣化,具体表现为压密段变长、内聚力减小、内摩擦角增大,破坏形式由弹脆性向弹塑性转变;相同温度条件下,岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比以及残余强度均随围压的升高而增大。围压可以部分抵消高温对岩石力学性能造成的损伤;干热岩力学性能劣化的原因在于黑云母矿物高温脱水、方解石受热分解以及晶内及晶间裂缝大量产生。上述研究成果可以为共和盆地干热岩的安全钻井及储层压裂改造提供重要的实验支撑。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

砂岩孔隙弹性特性的试验研究

 简述了Biot 孔隙弹性理论和孔隙弹性参数, 利用“不套封”加压试验、围压下的波速测量及“等质量变容变压”试验, 分别测试了4 块砂岩的骨架材料体积模量、“排水”体积模量和不同压力下的癸烷模量; 复合介质有效模量可用“等效介质理论”计算; Biot 系数静态值大于其动态值, 二者均与孔隙度有关, 并随围压的增大而减小, 建立了Biot系数的预测模型; 岩石孔隙弹性特性在油气识别、地应力计算及破裂压力预测等方面具有重要影响。     

致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究

开发低孔、低渗的致密灰岩储层需要进行大规模的水力压裂。致密灰岩的成岩过程、矿物组成以及岩石力学性质与致密砂岩等储层差异很大,在不同应力状态以及施工参数条件下水力裂缝扩展形态有待研究。采用真三轴水力压裂试验系统对致密灰岩露头展开压裂物模试验,研究地应力差、压裂液黏度、变排量、酸处理等多种因素对水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验结果表明:当水平地应力差在2~8 MPa之间时,水力裂缝易于沟通天然裂缝形成复杂裂缝网络;压裂液黏度升高,会降低剪切滑移和滤失膨胀的可能性,从而降低裂缝的复杂程度;在走滑断层的应力状态下,即σ_Hσ_Vσ_h,容易形成水平缝,特别是当井眼方向沿着层理面时极易沿着层理起裂;变排量压裂可以激活更多的天然裂缝,有助于形成复杂的裂缝网络;酸液预处理裸眼井段能够显著降低破裂压力,随泡酸时间的增加,破裂压力下降幅度逐渐增大。研究成果为现场压裂施工提供参考。     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

考虑温度影响的高庙子膨润土强度与变形特性试验研究

为了探讨温度对高庙子膨润土的强度和变形特性的影响,使用高温高压土工三轴仪,共做81个高压高温高庙子(GMZ)膨润土的三轴不排水剪切试验,系统分析干密度、围压、温度和含水率对高庙子膨润土强度与变形特性的影响。结果表明:(1)围压和干密度对高庙子膨润土的破坏形态的影响很大;无围压及较高干密度时试样均呈现脆性破坏,较高围压和较低干密度时,试样主要呈塑性破坏;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;较低干密度时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但较高干密度时的情况则完全相反;(3)初始杨氏模量在干密度较低时随温度升高呈现增加的趋势,而在干密度较高时则相反;随着含水率的升高,初始杨氏模量总体上不断减少;(4)随着温度升高,泊松比增加;干密度和含水率对泊松比的影响不大;(5)建立高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化公式。研究成果可为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供科学依据。     

人造多晶冰的动力学参数试验研究

基于低温动三轴试验,研究人造多晶冰在轨道交通分级循环荷载作用下的本构关系与动力学参数指标。在不同负温、频率条件下,考察试件轴向动应力-应变关系曲线,获得冰的动力本构关系可以用线性黏弹性模型描述;动弹性模量随着温度的升高而降低,随频率增大而增大;黏性系数随着温度的升高而增大,随频率增大而减小的结论;并合理解释了温度、频率对冰的动力学参数指标的影响机理。     

分级加载下冻土动弹性模量的试验研究

基于黏弹性理论,将动态弹性模量的最大值定义为冻土的动模量,通过计算滞回曲线中直线斜率的方法来计算冻土的动模量。通过动三轴试验,对不同频率、围压和负温条件下冻土的动模量随动应变幅的变化规律进行了试验研究,结果表明：在不同频率(0.1～20 Hz)、围压(0.3～2 MPa)和负温(-0.2～-2℃)条件下,青藏黏土的动模量取值范围为393～1749 MPa,兰州黄土的动模量取值范围为101～713 MPa;同一级加载下,动模量随着振次的增加基本不变,可以采用平均值来表征该级加载下的动模量;对于青藏黏土和兰州黄土,不同频率条件下,动模量随动应变幅的增加最终趋于一稳定值,该稳定值随加载频率的增加而增大;不同温度和围压条件下,随着动应变幅的增加,动模量先减小再趋于一个稳定值,该稳定值随围压的变化较复杂,随温度的降低而增大。     

高压油气藏对砂岩力学特性影响的试验研究

 首先采用声波纵、横波测量方法,进行岩样筛选。然后根据高压油气藏地质构造特征,设计模拟高压油气藏内部孔隙压力变化条件下岩石力学特性测试的方案。在GCTS–1000型三轴压缩试验机上进行高温高压三轴岩石力学测试,结果表明：随着砂岩内部孔隙压力增加,外部围压保持不变的条件下,岩石的强度与围压不呈单调上升的变化趋势,而是随着孔隙压力的增加,净围压减小,岩石强度先随净围压减小而逐渐减小,之后则表现出反常的增大现象。在地压梯度为2.20 MPa/(100 m)时,产生最低强度值。随着地压梯度的增大,岩石强度值反而升高,形成一个V形曲线。砂岩的弹性模量为一波浪形曲线,上下波动范围最大差值为2 909 MPa。泊松比的值从低向高;在地压梯度大于2.00 MPa/(100 m)时,泊松比接近0.5。重复试验揭示了岩石三轴强度特性的这一特殊现象。该结果对于高压油气藏、水泥环和套管系统的真三维套管变形与损坏的模拟有着重要的参考价值,而且是必不可少的基础数据。     

海湾相有机质浸染砂的动力特性试验研究

海南省沿海地区分布着一种特殊的海湾相有机质浸染砂,为研究其动力特性,利用动三轴仪进行了不同围压和含水率下的动力变形特性及动强度特性试验研究。分析含水率、围压对其动应力-动应变关系、动弹性模量、阻尼比的影响。试验结果表明：在动应变不变的条件下,动应力随含水率的增多而减小,随围压的增大而增大;动弹性模量在含水率变化时,变化趋势较平缓;阻尼比随着动应变的增加而增大,随含水率的增大而减小。在围压改变时,阻尼比的变化不明显。为海南省海湾相有机质浸染砂地区构筑物的动力计算参数的选取提供参考依据。