水力耦合下岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下，分别讨论了4种岩石在考虑渗流和不考虑渗流条件下的声发射特征。研究表明：在低应力阶段，岩石几乎没有声发射活动，淳流对声发射活动无影响：一般在达到其强度的60％～80％左右、临近破坏时，声发射活动才显著增加；加渗流和卸渗流的瞬间均产生较大的声发射事件，从稳定渗流到卸渗流一般接收不到明显的声发射信号；岩体破坏的声发射过程分为4个部分，即初始区、剧烈区、下降区和沉寂区；在破坏时，声发射信号的主频分布较宽，其中不加渗流时低频成分所占的比例超过了50％，坚硬岩石主频的最大值较破坏前、后急剧增大；加渗流或长期浸泡（130h左右）时低频成分所占的比例超过了60％～80％，软化岩石土频的最大值较破坏前后变化不大；岩石的声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽；随着应力的增加，有些岩石的声发射主频最大值有增大的趋势。     

岩石中的声发射和裂缝扩展（英文）

ACOUSTIC EMISSION AND CRACK DEVELOPMENT IN ROCKS@刘浩$香港合东中国育限公司     

北山花岗岩断裂力学行为及其声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对北山花岗岩试样开展静态加载和循环加载两种加载方式的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试验,旨在研究不同加载方式下北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。测试结果表明,北山花岗岩在静态加载下的平均断裂韧度值为1.180 MPa·m^1/2,循环加载下的平均断裂韧度值为1.153MPa·m^1/2,循环加载下岩石的断裂韧度降低了2.3%。通过循环加载试验证实了亚临界裂纹扩展的存在,并发现循环加卸载并不会改变CCNBD试样的破坏模式,试样仍保持脆性特征。结合力学特征曲线和声发射特征,对静态加载及循环加载下CCNBD试样的裂纹扩展过程进行分析,深化对不同加载方式下的CCNBD试样断裂特征的认识。     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。     

煤岩水压裂缝扩展行为特性研究

对坚硬煤体预裂中存在的问题，采用地应力场控制下水压致裂的方法，通过来自铜川矿区的九块大型煤块试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础上对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系，进行了系统试验研究。克服常规小试件试验的局限性，建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂缝扩展变化过程的对应关系，研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制，为解决煤岩体介质材料中水压裂缝扩展行为控制提供了科学依据。试验表明，本文结果中水压裂缝扩展控制参数对改善顶煤预裂设计效果具有实际意义。     

碳酸盐岩声发射地应力测量方法实验研究

在碳酸盐岩 Kaiser 效应实验研究的基础上,分析了不同加载应力和岩芯放置时间对碳酸盐岩 Kaiser 效应点的影响规律,得出预加载应力为单轴强度的（ 25% ～ 70% ）、放置时间为 4 个月左右时岩石的 Kaiser 效应记忆性最好;讨论了 Felicity 效应比值的分布特征,获得了应力、时间耦合下碳酸盐岩地应力的计算公式,形成了碳酸盐岩地层地应力确定方法。该法应用于西部某油田地应力测量,解释出的地应力结果精度满足工程应用的要求,解决了时间、应力敏感性带来的碳酸盐岩地应力测量精度低的难题,完善了地应力的测量体系,为碳酸盐岩地层高效开发提供了基础数据。     

不同含水状态花岗岩断裂力学行为及声发射特征

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对两种不同含水状态的深部细粒英云闪长岩进行了三点弯曲试验,得到烘干状态及饱水状态下花岗岩的载荷–LPD曲线、声发射振铃计数率、AE撞击数曲线。试验结果表明,在水的影响下花岗岩的断裂力学特性和声发射特征都有较大变化。饱水状态岩样的平均断裂韧度为干燥状态下的87.5%,且在试验过程中整体的变形变大,其刚度变小,脆性减弱,强度变低。在岩样三点弯曲的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率远小于干燥状态岩样;在试验过程中出现了明显的Kaiser效应。岩样以V型截面拉断破坏为主;饱和岩样声发射事件数远大于干燥岩样。研究结果对于受含水层影响的深部花岗岩岩土工程设计及施工具有重要的理论及实际指导意义。     

不同强度煤体声发射特征研究

为研究不同强度煤承载的声发射特征,选取平均单轴抗压强度分别为30 MPa(大同矿区忻州窑矿)和10 MPa(双鸭山矿区东荣二矿)的煤体试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,对煤在单轴压缩过程各阶段声发射能量、振铃计数等进行分析.试验结果显示,不同强度的煤压缩过程中表现出的AE能量、振铃计数等存在着差异,尤其在线弹性阶段...     

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定...     

层理页岩水力裂缝扩展规律的相场法研究

准确预测层理页岩水力裂缝扩展路径对于页岩压裂方案优化与压裂效果评价至关重要.基于多孔弹性理论和能量最小化原理建立水力耦合的相场模型,采用交错策略的分离式耦合方法进行求解.通过压裂试验数据对比验证模型的可靠性,同时基于页岩三维水力压裂模拟分析,验证该方法对于模拟不同地应力条件下的水力裂纹扩展问题的适用性.基于该模型,利用...     

基于XSite的钻孔起裂水力裂缝三维扩展研究

为了认识近井筒水力裂缝三维扩展特征,采用基于离散格点理论和合成岩体方法研发的数值模拟软件XSite,分析了井筒方位和地应力对水力裂缝三维扩展的影响.研究结果表明:裸眼井筒起裂条件下,井筒方位变化导致裂缝三维形态产生差异,但整体上裂缝趋向沿垂直于最小主应力的平面扩展.中间主应力的增加抑制了垂直于本方向的裂缝扩展,裂缝在中...     

基于声发射多参量分析的岩桥裂纹扩展研究

为研究开放性岩桥裂纹扩展特征及破裂机制,通过对花岗岩岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测,基于应力–应变曲线、声发射参数和频谱特征分析其裂纹扩展过程。研究结果表明:裂纹由倾斜预制裂纹尖端起裂,扩展方向受应力方向控制;应力–应变曲线出现"峰前波动上升"和"峰后阶梯式下降"特征;声发射振铃计数率和能率"突增点"与"相对平静期"间隔出现,累计计数和累计能量曲线"台阶式上升","突增点"对应宏观裂纹的形成,而"相对平静期"则是为宏观裂纹增长积蓄能量;声发射频谱对裂纹扩展更灵敏,高频低幅值和低频低幅值信号对应沿晶或穿晶微裂纹,高频高幅值信号对应中尺度或穿晶小尺度裂纹,低频高幅值信号对应宏观大尺度裂纹,中频低幅值信号与已有断面的摩擦有关。本文研究获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制和监测提供了依据。     

不同岩石声发射时频特性实验研究

通过对变粒岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩等四种岩石进行室内单轴加载声发射试验,获取岩石破裂全过程的应力-应变曲线、声发射参数及声发射信号。根据岩石破裂过程,从时、频域对声发射信号进行分析,着重对比了不同岩石的力学性质、声发射信号频域特征。研究结果表明:采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;随着加载的进行,根据岩体变形及破裂程度的不同,不同岩石破裂阶段的声发射信号的频带范围也在不断发生变化。结合声发射时间序列参数特征和频谱特性,可得出岩石破裂时的损伤特性,为现场岩体的稳定性监测提供技术支持。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现：在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。     

花岗岩破裂的声发射阶段特征及裂纹不稳定扩展状态识别

岩石内部微破裂累积演化过程中关键信息的获取和辨识可为岩石破坏失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控具有重要意义.通过开展花岗岩失稳破裂的声发射试验,分析声发射能级频次分布和波形频谱变化两类指标在岩石破坏过程中表现出的阶段性特征,给出基于多元声发射指标的岩石失稳评估预警建议,并利用集成机器学习模型构建岩体塑性阶段...