塔里木软岩层蠕变规律实验研究

塔里木软岩层对套管的影响主要表现在油井穿过岩盐等软岩层时常发生阻卡和套管损坏等现象，使得固井质量及油井寿命大为降低，经济损失十分严重。为较好地解决这个问题，软岩层蠕变规律试验研究是一项重要的基础工作。为此，研制了能进行温度加热、加压和控制的常规三轴压缩蠕震实验装置，利用此装置对塔里木软岩层试样进行了各种温度、压力条件下的常规三轴压缩蠕变实验研究，得到不同温度和压力水平下的岩石蠕变试验曲线，用经验公式对实验结果进行拟合，得到在不同温度软岩层材料随时间变形的规律。研究结果对生产实践有重要的指导意义。     

含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系

为了解某拟建盐穴储库围岩含夹层盐岩的蠕变特性,对该库址含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行了不同围压下三轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变变形规律。实验结果表明：含夹层盐岩初始蠕变阶段的持续时间大于泥岩试件而与盐岩试件基本相同,即第1蠕变阶段的持续时间主要由层状盐岩试件中盐岩体部分决定;第2蠕变阶段的稳定蠕变速率则随着泥质夹层含量的不同呈现较大的差异,在相同应力条件下,含泥质夹层盐岩试件的蠕变速率小于盐岩而大于泥岩。根据3种岩样第2蠕变阶段的蠕变特性,基于含泥质夹层盐岩试件中泥质夹层的体积分数,推导了含夹层盐岩蠕变力学参数与纯盐岩及纯泥岩蠕变参数的关系。     

潜江超深盐矿盐岩力学特性的试验研究

对取自潜江白垩系地层2000 m的盐岩试样,进行了一系列的力学特性试验。包括单三轴压缩试验,巴西劈裂试验,直接剪切试验。研究了盐岩的单轴抗压强度,弹性模量等,并与国内外其他地区盐岩相比较,得出潜江盐岩单轴抗压强度,弹性模量都偏小;研究了三轴压缩强度特性,着重研究了模拟地层温度和高围压条件下,温度和高围压对盐岩力学特性的影响机理,研究表明:温度对盐岩的力学特性影响明显,盐岩塑性变形能力非常强,围压对弹性模量的影响非常小,高围压下盐岩没有明显的破坏面,不再是单纯的剪切破坏;同时对盐岩的抗拉强度,抗剪强度参数进行了研究,得到潜江盐岩的抗拉强度为1.041 MPa,抗剪强度参数c,φ值分别为2.46 MPa和41.36°     

孔隙水压力对软岩蠕变规律影响的实验研究

利用带有压力密封仓的三轴蠕变仪进行了不同孔隙水压力条件下软岩蠕变试验,通过最小二乘回归分析对蠕变方程进行了参数识别.研究表明：孔隙水压力对软岩蠕变影响显著,主要体现在初始应变量和弹性参数的变化;不同应力水平作用下,软岩蠕变存在着明显的应力阙值,在高应力水平作用时,蠕变表现为完整的3个阶段,稳定蠕变阶段比较短暂.     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

钙芒硝盐岩多场耦合作用下蠕变的温度效应研究

为了研究温度-溶浸-应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变的温度效应,利用自主研发的三轴岩石力学试验机,进行了围压4 MPa、轴压5 MPa、不同温度(30,60,90℃)、不同渗透压(3,2,1 MPa)条件下的三轴蠕变试验,并在试验前后对试件进行CT扫描,分析了不同蠕变过程中温度对钙芒硝蠕变变形的影响。结果表明:溶浸连通过程,对钙芒硝盐岩蠕变变形起主要作用的是渗透压和温度,渗透压越小且温度越高,蠕变应变越大;饱水蠕变过程,温度和有效应力是影响蠕变变形特性的主要因素,随温度的升高蠕变应变逐渐增大,但其增加幅度逐渐减小。在72 h的饱水蠕变过程中,渗透压为2 MPa时,30,60,90℃条件下的蠕变应变分别为0.009 5×10~(-2),0.014 4×10~(-2),0.019 5×10~(-2),渗透压为3 MPa时,分别为0.001×10~(-2),0.003×10~(-2),0.007×10~(-2);排水蠕变过程,影响钙芒硝蠕变变形的主要因素是温度-溶浸-应力作用的历史过程对钙芒硝固体骨架力学性能的弱化程度和温度对蠕变过程的热损伤作用,随温度的升高蠕变应变和其增加幅度都逐渐增大;基于非线性流变力学理论,对广义开尔文模型进行改进,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对改进后模型的参数进行反演识别,结果与实测数据吻合效果良好,说明改进后的模型可以较好的描述钙芒硝在温度-溶浸-应力耦合作用下的排水蠕变过程。     

考虑频率影响的盐岩变参数蠕变损伤模型

基于低频三轴循环加卸载试验得到盐岩轴向初始衰减和稳态蠕变变形规律,以及卸载模量随着循环周次的增加呈现负指数型弱化趋势。以弹性模量的折减表征循环荷载下盐岩损伤劣化,考虑损伤因子的频率和时间效应,得到统一损伤演化方程,建立考虑频率影响的变参数Burgers蠕变损伤模型。对比分析表明,该模型能够准确描述不同频率循环荷载作用下盐岩蠕变变形特征和损伤演化过程,为盐岩地下储气库注采运营稳定性分析提供更为合理的分析模型和力学参数。     

软岩蠕变的温度效应及实验分析

以砂岩为例，扩展到软岩，认为软岩蠕变是“强化作用”和“弱化作用”动态变化的过程，蠕变的各阶段发生与否和“弱化”“强化”强度对比有关。通过包含温度的砂岩单轴、三轴蠕变实验，并进行数据分析，得到结论：软岩蠕变的发生，力是主导因素，热是辅助影响因素，进一步地，应力差是主导因素。温度升高，软岩蠕变总量、起始蠕变量、瞬时热应变、蠕变速率都增大。因此，在深部软岩工程的设计中，应考虑岩体蠕变的温度效应。     

层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型

以湖北云应盐矿地下600～700m的含泥岩夹层的层状氯化钠盐岩试件为研究对象,进行常规力学实验和不同应力批次下的单轴压缩蠕变试验,发现层状盐岩是一种特殊的组合软岩,其弹性模量比较少,盐岩层横向变形能力很大.蠕变试验得出:(1)在充分长的蠕变时间内,层状岩盐蠕变的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段显现明显,且加速蠕变阶段持续时间较长;(2)在稳态蠕变阶段出现了夹层内陷和盐岩层外鼓现象.这种不协调蠕变将导致层面的剪切错动.建立层状岩盐蠕变破坏模型,定义层状盐岩蠕变损伤变量为盐岩试件环向拉应变与盐岩的极限拉应变之比,从理论上揭示了夹层与盐岩层蠕变特性的差异而导致盐岩层蠕变破坏机理,较好地解释了夹层首先劈裂破坏,带动盐岩互层张拉裂纹扩展的实验现象.     

联合广义Hoek-Brown屈服准则的盐岩黏弹塑性损伤模型及工程应用

通过4种屈服准则对盐岩适用性的对比分析,表明广义Hoek-Brown准则能够准确预测盐岩从拉伸到压缩应力区的强度值,结合不同应力状态下的塑性流动法则建立完整的盐岩弹塑性模型。进一步考虑盐岩的黏性损伤,基于Lemaitre等效应变原理,引入损伤蠕变分量建立了一种能够反映盐岩初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变全过程的黏弹塑性损伤模型,并进行试验验证。利用FLAC 3D 的二次开发接口,实现了新模型的软件嵌入。对金坛盐岩储气库工程进行卸压模拟,分析储库围岩损伤和破坏演化规律,得到了储库初步最小运营内压为7 MPa。研究表明,新模型能够较好地匹配盐岩试验数据,描述盐岩黏弹塑性损伤行为,且数值稳定性良好。     

复合岩层三轴压缩蠕变力学特性数值模拟研究

进行了泥岩与煤的三轴压缩蠕变试验并对蠕变试验结果进行分析,结果表明泥岩与煤在三轴压缩条件下的蠕变特性均可以采用Burgers模型进行描述。分别采用泥岩与煤的蠕变参数作为软、硬岩石材料参数建立了软硬互层复合岩样数值模型,分析了不同层间距、软硬岩体积比及层间界面倾角下复合岩样的蠕变特性。结果表明,软硬岩复合岩样蠕变特性同样满足Burgers模型流变规律;相同应力条件下复合岩样的瞬时应变及稳态蠕变速率均随软岩体积比的增大非线性增大;相同软硬岩体积比下,复合岩样的瞬时应变、黏性应变及稳态蠕变速率受层间距的影响不大;层间倾角由0°增大至60°时复合岩体瞬时应变先增大后减小,稳态蠕变速率则先减小后增大,层间倾角由60°增大至90°时,瞬时应变与稳态蠕变速率均先减小后增大。分析结果对软硬互层岩体蠕变特性的研究具有一定的参考意义。     

泥岩变温蠕变试验温度修正及蠕变特性

以郓城煤矿泥岩为研究对象,进行了常温范围内泥岩变温三轴压缩蠕变试验,试验结果表明常温范围内温度对泥岩蠕变应变影响较大,对泥岩蠕变速率影响较小,进行泥岩蠕变特性分析前必须对蠕变试验结果进行温度修正。根据温度周期变化下岩石稳态蠕变试验结果,提出了常温范围内岩石蠕变试验温度修正方法,该方法能较好的辨识得到岩石的温度应变率以及岩石的稳态蠕变速率,采用该温度修正方法对泥岩变温蠕变试验结果进行了辨识和修正,结果表明常温范围内围压25 MPa条件下泥岩温度应变率约为2.80×10-5 /℃,修正后泥岩蠕变特性与西原模型相符,试样的稳态蠕变速率与轴向偏应力近似呈线性关系。     

含杂质盐岩力学特性对比试验研究

从某地拟建地下盐穴储库库区取芯,对含不同杂质盐岩（纯盐岩、钙芒硝质盐岩、硬石膏质盐岩及泥质混合盐岩）进行了力学试验,并对所获得的力学特性进行了对比分析。结果表明：① 在单轴和三轴压缩试验过程中,不同杂质成分对抑制盐岩的变形能力、提高盐岩抗压强度的作用有所不同;② 含不同杂质盐岩的弹性模量、单轴抗压及抗拉强度有较大变化区间,钙芒硝质盐岩的弹性模量和抗拉强度较大;③ 通过三轴压缩试验获得含不同杂质盐岩内摩擦角的量值明显低于纯盐岩,而黏聚力均大于纯盐岩。除纯盐岩外,硬石膏质盐岩的内摩擦角和黏聚力相对较小。     

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。     

三轴压缩下巷道围岩蠕变参数分析及寿命预测研究

为了研究不同围压作用下巷道围岩的蠕变力学特性，采用RLJW-2000流变仪开展了砂岩单轴压缩蠕变和围压为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的三轴压缩蠕变试验，引入一个带有长期强度和时间阈值的黏塑性损伤元件，与Burgers模型串联构建三维蠕变模型，分析了不同围压下岩石的蠕变参数演化规律。结果表明：蠕变作用下砂岩长期强度约为峰值强度的72%;建立的三维蠕变模型可以精准地描述不同围压下砂岩三轴蠕变全过程。最后，根据进入加速蠕变的应变阈值和损伤变量演化特征提出了蠕变寿命预测方法，预测结果具有较高的准确度。     

煤层底板断层滞后型突水时效机理的力学试验研究

通过室内单向压缩、蠕变和三轴压缩、蠕变试验，对断层带物质在不同含水量、不同围压、不同加载方式条件下，其变形破坏方式进行了较为系统地试验分析与研究，提出断层带物质随围压的增加，强度有所提高，但随含水量的增加强度将降低；起始流变压力随围压的增加而增大，随含水量的增大而减小；断层带物质的变形破坏特征与荷载作用时间和其组成物质有着密切关系。     

粒径大小对颗粒堆积体Burgers模型蠕变参数相似试验研究

为研究砂土颗粒材料堆积体在沉降过程中的变形行为,采用分级加载的方式进行三轴压缩蠕变试验,获得3组不同粒径(0.6~0.8 mm、1.0~1.5 mm、2.0~2.5 mm)的玻璃微珠蠕变变形-时间曲线,选取四元件Burgers模型对试验曲线进行拟合分析,得到玻璃微珠蠕变特性表征参数,并建立离散元数值模型对burgers模型参数进行验证。研究结果表明:玻璃微珠在三轴压缩条件下的蠕变特性可采用Burgers模型进行描述,蠕变Burgers模型的4个参数E_k、E_m、η_k、η_m与粒径和轴压均呈现负相关关系。将试验拟合得到的宏观Burgers模型参数转换为颗粒流程序中的微观Burgers模型参数,模拟结果与试验结果具有较高的吻合性,对比结果说明颗粒流Burgers模型适用于岩石颗粒蠕变试验的研究。     

不同应力状态下盐岩的损伤恢复

为了研究不同应力状态下盐岩的损伤恢复,实验对单向、双向和三轴3种应力状态下损伤盐岩试件进行了恢复对比实验。旨在探寻力学作用下岩盐损伤恢复的宏观现象。实验结果表明：由于应变硬化的存在,利用弹性模量评价盐岩这类软岩的损伤恢复是具有局限性的;盐岩极限强度、盐岩到达极限强度所需能量与能量比值能良好反应应力作用状态下盐岩损伤恢复的变化情况;适当增加围压对损伤盐岩试件的恢复有促进作用,三相应力相同的条件下的初始轴压对损伤恢复却具有一定的抑制作用。因而,在盐腔稳定性维护过程中,最佳的数据系统应在考虑盐腔可控应力与地应力间的关系下建立。     

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明：温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温（110℃）下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。     

不同温度下混凝土材料的短时蠕变特性研究

通过对不同温度下混凝土试块进行单轴压缩蠕变试验,研究分析不同温度下混凝土材料的蠕变特性。研究结果表明,温度对混凝土的蠕变有重要的影响,蠕变随温度的升高而降低,不同温度下混凝土的蠕变速率随温度的升高而减小,最大减小了83.7%,这反映出温度对混凝土的蠕变起抑制作用;根据蠕变劲度所反映出的变形速率的关系,蠕变劲度随混凝土温度的增大而变小,其中最大的变化降低了约39.7%;通过西原模型进行数据拟合所得到的蠕变参数与试验结果对比,准确反映出不同温度下混凝土材料的蠕变特性,混凝土的温度越高,粘弹性模量越小,蠕变变形越小。