四川盆地龙马溪组页岩断裂韧性特征与预测方法

以四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组为研究对象,基于人字形切槽巴西圆盘实验,测定了龙马溪组页岩I型断裂韧性,分析了龙马溪组页岩断裂韧性特性,讨论了页岩断裂韧性声波属性参数的响应规律,在此基础上,构建了长宁地区龙马溪组页岩I型断裂韧性预测模型。研究结果表明:垂直层理面取芯,页岩断裂韧性分布范围为0.474 4～0.875 2 MPa?m~(0.5),而平行层理面取芯,页岩断裂韧性分布范围为0.791 4～1.166 7 MPa?m~(0.5),说明了龙马溪组页岩断裂韧性各向异性显著;页岩断裂韧性与纵横波声波时差呈负相关性,页岩断裂韧性与纵横波衰减系数呈负相关性,而页岩断裂韧性与纵横波波阻抗呈正相关性;基于地球物理测井方法,构建了长宁地区页岩I型断裂韧性预测模型,该模型对页岩I型断裂韧性数据预测效果较好。     

不同岩性对岩石超声波信号时频特征的影响

为研究超声波在不同岩性岩石中的传播规律,文中利用非金属超声波仪对岩石试样进行测试,采用傅里叶变换对超声波信号进行频谱分析,得到了岩石密度和岩石回弹值、岩石纵波速度、超声波信号主振频率、动弹性模量之间的关系。研究结果表明：岩石的回弹值、纵波速度、主振频率、动弹性模量均与岩石密度存在显著的相关性。岩石的回弹值、纵波速度以及动弹性模量随岩石密度的增加而不断增加,岩石超声波信号的主振频率随岩石密度的增加反而逐渐减小。对于实际工程应用,根据给出的拟合关系式可以准确预测岩石的回弹值、纵波速度、主振频率和动弹性模量。     

含气饱和度对碳酸盐岩声波速度影响的试验研究

 用试验方法探讨碳酸盐岩的纵横波速度、纵横波波速比随不同含气饱和度的变化关系。结果表明：(1) 随着含气饱和度的增加,纵波速度、纵横波波速比总体呈减小趋势,而横波速度几乎不受影响。(2) 声波频率对纵横波速度、纵横波波速比都有一定影响,不同频率下的纵横波波速比主要分布范围不一样,Sg = 0%时的纵横波波速比大于Sg = 100%时的纵横波波速比。(3) 将完全饱和的岩石模拟为水层,随着水层中含气量的增加,纵横波波速比从背景值开始递减,递减幅度越大说明水层逐渐向气层过渡,同时结合纵波速度递减的特点为利用声波测井资料指示气层奠定理论基础。(4) 所探讨的纵横波波速比可为碳酸盐岩气层识别提供一定的参考依据,但实际应用时还需结合其他相关参数才能更准确地评价储层。     

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。     

泥页岩前期名义固结压力的层理效应研究

在研究盖层封闭性过程中发现,仅针对盖层当前的封闭性是不够的,还应研究地质历史时期盖层的演化特征。在盖层封闭性动态演化研究中,对抬升剥蚀改造阶段可采用OCR(over consolidation ratio,超固结比)法进行定量恢复。在确定OCR值过程中,关键的是获取其前期名义固结压力;同时泥页岩为沉积岩,具有明显的层理结构,因此其封闭性表现出较强的层理效应。以龙马溪组泥页岩为研究对象,采用厚壁钢质套筒约束试样横向变形来模拟单轴应变试验,获取了不同层理角度下泥页岩的前期名义固结压力及侧压系数,并分析其层理效应,探讨层理对泥页岩的脆–延转化的临界围压的影响。研究表明:(1)单轴应变试验曲线大致呈三段变化,剪应力表现出先增大后减小趋势;(2)前期名义固结压力随层理角度的增大呈先减少后增大的趋势;(3)前、中侧压系数均表现出明显的层理效应,而层理面对后侧压系数影响不大;(4)不管对于何种角度的泥页岩,前、中侧压系数均小于1,而后侧压系数均大于1;(5)泥页岩发生脆–延转化的临界围压除了与前期名义固结压力有关外,还受层理面的影响。该研究为评价不同层理角度盖层的封闭性能提供了重要依据,为建立盖层封闭性的静–动评价模型提供参考。     

压电陶瓷片/混凝土复合机敏结构中的表面波法

将PZT压电陶瓷片直接粘贴在混凝土表面，产生和接收表面波，以确定沿混凝土表面传播的Rayleigh波和纵波的波速，以及混凝土的动弹性模量和动泊松比。研究表明，表面波法简单可行；Rayleigh波在50～80kHz的频率范围内呈频散状态，即该波波速随频率的变化而变化；混凝土柱在轴向加载情况下，Rayleigh波和纵波峰峰值均随应力增加而减小，并且卸栽后波形不能回复，波速略有减小。压电陶瓷片／混凝土复合机敏结构中的表面波法对实时监测混凝土性能劣化和裂纹等具有重要意义。     

饱水岩样声波传播规律的试验研究

先将板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩3种岩样烘干后在3个方向进行声波试验，然后将上述岩样在饱水条件下进行同样测试，通过纵横波透射测试得到岩石内部结构的一些信息，从而对3种岩样的饱水和烘干条件下声波传播规律进行研究。通过对岩石岩样声波波形、波幅衰减规律和波谱特征分析发现：（1）3种岩样吸水率均较低，平均饱和吸水率一般为0．100％～0．212％，其纵横波波速受水的影响较小。（2）3种岩样饱水后纵波的衰减速率大大降低，而横波饱的衰减速率明显增强，饱水对纵横波衰减速率的影响趋势截然相反。（3）板岩和黑云母片麻岩的声波衰减各向异性特征明显：而花岗岩片麻岩声波衰减各向异性特征不明显；3种岩样的声波衰减各向异性特征差异很大，岩样种类不同，则饱水对声波衰减速率的影响也完全不同。（4）3种岩样饱水状态下纵横波主频明显比烘干状态下要降低许多；对声波信号3层db1小波包分解后发现，3种岩样饱水后最低频率范围内纵波信号能量所占比例增加，较高频率段纵波信号能量所占比例降低。     

龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧性下降,后者使Ⅰ型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

黑色页岩巴西劈裂破坏的层理效应研究及能量分析

以重庆龙马溪组黑色页岩为试样,对黑色页岩进行了不同层理角度的巴西劈裂试验,研究了其抗拉强度和破坏形态的各向异性特征,分析了其变形破坏过程中的吸收能变化规律,揭示了层理角度、抗拉强度、AE能量与最终吸收能之间的关系。结果表明:1黑色页岩的抗拉强度受层理影响明显,90°时,抗拉强度最大,最小值则出现在30°附近。在0°≤θ≤30°和60°≤θ≤90°,抗拉强度值变化较小,而30°≤θ≤60°,其值随着层理角度增加而迅速增大;2试样破坏形态可以分为三类典型的裂纹,且低层理角度的试样仅出现单一种类的裂纹,而高层理角度的试样存在多种裂纹形态;3吸收能随着载荷增加呈非线性增长,根据吸收能增长速率的大小,发现黑色页岩发生拉伸滑移、滑移拉伸、纯拉伸、滑移和压张型拉伸破坏的剧烈程度依次减弱;4低角度试样的最终吸收能小,高角度试样的最终吸收能大,在30°≤θ≤60°,最终吸收能变化跨度最大,其与抗拉强度和AE能量均存在相应的二次非线性关系,为页岩气勘探开发提供了参考。     

水平层理发育泥岩取芯卸荷波速研究

对一新建火电厂基岩进行声波测试发现多组钻孔岩块纵波波速小于原位岩体纵波波速的异常现象,与传统认识大相径庭。仔细分析后得出:基岩泥岩段岩性软、水平层理发育,钻孔取芯卸荷带来的应力释放及运输、制样机械扰动使原来紧密闭合的层理面一定程度张开,导致岩块纵波波速大幅减小,出现岩块纵波波速小于岩体纵波波速的异常情况;取芯卸荷效应对岩块纵波波速的影响随弹性模量的增大而减小。     

岩石破坏瞬间压机-岩石系统振荡特性研究

岩石的单轴压缩实验是获得岩石力学特性的通用方法。虽然单轴压缩实验在岩石力学测试中被广泛引用,但始终缺少对岩石和仪器所组成系统的动态响应的认识。本文通过对川南龙马溪组高脆性页岩的单轴压缩实验,研究了破坏瞬间岩石与压机的动态相互作用。通过提取动态破坏瞬间的实验数据,分析了压机和岩石对动态破坏的响应,建立了压机岩石的全系统振荡模型,并对模型进行了求解。同时对压机岩石系统进行颗粒流建模,得到了岩石破坏瞬间的全系统声发射响应。结果表明,离散元数值模拟方法得到的压机岩石系统对岩石破坏的动态响应与实验测得的声发射动态响应相吻合,脆性岩石破坏瞬间整个系统进行横向和纵向高频阻尼振动,压机岩石系统在岩石峰值破坏时的动态声发射响应主要来自类似拨弦振动的横向振动,振动的频域特性取决于压机岩石系统的尺寸以及力学特性。     

龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。     

利用纵波探头测量横波速度的试验

横波测试时岩石内也存在纵波，纵波幅值较小且先于横波达到，确定横波的初至时间相当困难．对具有较大平面的岩块，可以利用纵波探头测定横波速度。将两个纵波探头平行放置在同一平面，利用润滑脂耦合。发射探头对岩块法向脉冲后产生纵波，同时在其垂直方向产生横波沿该平面的方向传播．横波引起的质点振动方向垂直于岩块表面，可以由纵波探头接收。由于探头端面并不是一个点，以两探头中心点距离计算将得到横波速度的上限值，而以探头内侧距离计算则得到其下限值。     

地震引起的飞石运动过程初步分析

地震可能引发大量的飞石,对生命财产造成严重威胁.针对地震飞石问题进行了初步研究.首先基于刚体运动理论和空气运动学理论建立了飞石的运动模型,考虑了空气阻力、地震加速度等参数的影响;然后通过理论分析获得了地震纵横波同时作用和只有横波作用时的飞石的起动速度、最大运动距离、飞行时间等参数的解析方法.分析结果与汶川映秀镇飞石的实...     

Mesoscale fracture behavior of Longmaxi outcrop shale with different bedding angles:Experimental and numerical investigations

The mechanical properties and fracturing mechanism of shale containing beddings are critically important in shale gas exploitation and wellbore stability.To investigate the effects of shale bedding on crack behavior and fracturing mechanism,scanning electron microscope(SEM)with a loading system was employed to carry out three-point bending tests on Longmaxi outcrop shale.The crack initiation and propagation of Longmaxi shale were observed and recorded by taking photos during loading.The cracking paths were extracted to calculate the crack length through a MATLAB program.The peak load,fracture toughness and fracture energy all increase with the bedding angle from 0°to 90°.The crack length and energy were also found to increase with the bedding angle in the range of 0°-600 and then drop slightly.The fracturing mechanism of shale includes the main crack affected by the bedding angle and disturbed by randomly distributed particles.The main cracking path was accompanied by several microcrack branches which could form an interconnected crack system.When the main crack encounters larger sedimentary particles,it will deflect around the particles and then restore to the initial direction.A numerical technique using extended finite element method(XFEM)coupled with anisotropic cohesive damage criteria was developed,which is able to capture the dependence of crack propagations on bedding angle and sedimentary particles.This study sheds light on understanding and predicting mesoscale fracture behavior of shale with different bedding angles.     

页岩巴西劈裂裂缝形态评价及功率谱特征分析

定量评价页岩破坏的裂缝形态是评估水力压裂裂缝网络复杂程度的重要前提。通过对黑色页岩试件进行巴西劈裂试验,同时结合数字图像相关技术和声发射技术,建立声发射功率谱频带特征与页岩试件微损伤机制的对应关系,并对裂缝形态进行定量评价。结果表明：层理是页岩功率谱特征、微损伤机理、裂缝形态差异的根本原因。页岩基质张拉、剪切破坏引起高频声发射信号,页岩层理张拉、剪切破坏引起低频声发射信号。随层理与加载方向之间的夹角角度增加,主频、次主频逐渐从低频带向高频带扩散,且高低频数量比H：L也逐渐增加。0°页岩试件的H：L为4.28%∶95.72%,裂缝为直线形;30°和60°页岩试件的H：L分别为15.89%∶84.11%和36.93%∶63.07%,裂缝为圆弧形;90°页岩试件的H：L为93.85%：6.15%,形成圆弧-直线复合型裂缝。研究结果将为解析现场微震数据提供借鉴,为控制页岩储层水力压裂裂缝轨迹提供理论基础。     

基于小波变换的岩芯卸荷扰动声学反应分析

 现行国家规范将岩体与岩块的纵波速度比的平方定义为岩体的完整性，这是由于通常情况下原位岩体的纵波波速低于其中岩块的波速，岩体越破碎，波速低得越多。通过对南京地铁工程围岩声波测井及岩芯声波测量发现，用通常手段得到的一部分岩体的测井波速反而大于岩芯波速，分析其原因主要是岩芯受卸荷及钻取扰动影响造成的。为更好地对岩芯卸荷扰动的声学反应进行分析，基于小波变换方法，将岩芯声波信号分解成不同频带通道的小波分量，进而对其进行时频分析，得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度具有良好的相关性，表明该方法在分析岩芯卸荷扰动问题上具有优越性。     

用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。