冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

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。     

不同加载方式下层理对砂岩力学特征的影响分析

为了研究层理对砂岩物理力学特征的影响,以布尔台煤矿5-2煤基本顶粉砂岩为研究对象,对其进行了直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验,分析了层理对其纵波波速、抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量及峰值应变的影响。试验结果表明:层理对抗压强度、残余剪切强度基本没有影响,但是对抗拉强度、峰值应变(拉伸)、抗剪强度、弹性模量、峰值应变(单轴)和纵波波速等有显著的影响;抗拉强度、峰值应变(拉伸)、抗剪强度、弹性模量、峰值应变(单轴)及纵波波速分别降低了31.6%、33.2%、33.9%、33.3%、42.7%、8.4%。     

高温作用后2种层理砂岩的动态力学试验及细观分析

为研究层理岩石的动态力学和细观结构方面的各向异性特征,利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行高温作用后层理砂岩的动态压缩试验,而后对试件破坏断口进行SEM电镜扫描试验,分析其断口形貌特征与能耗规律,并对提取出的微裂缝网络进行数值分析。试验结果表明:高温作用后各向异性砂岩的动态力学性能受冲击弹速、温度效应、层理各向异性的共同影响,随着冲击弹速的增加,砂岩的峰值强度逐渐增加,峰值应变逐渐增大,变形模量也逐渐增加;随着温度的升高,砂岩的峰值强度逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而变形模量逐渐减小;平行层理砂岩的峰值强度、峰值应变和变形模量普遍高于垂直层理岩样,整体性更好。层理砂岩在高应变率下破坏的断口表面比在低应变率下整体度差,形貌更加粗糙。经历温度不大于400℃时,断面以沿晶破坏和穿晶破坏为主,表现为脆性断裂;经历温度为800℃时,除前2种断裂模式外,断面局部还出现塑性破坏和韧性破坏特征。砂岩在高应变率下破坏时能耗普遍高于低应变率破坏。断口裂隙的数量、裂隙的面积、裂隙的形状三者均存在明显的各向异性差异,水平层理的裂隙数量普遍高于垂直层理;水平层理岩样的微观裂隙率曲线低于垂直层理岩样;垂直层理的裂隙形状普遍比水平层理规则。高温处理后岩样动态破坏断口的裂隙形态趋于规则。     

层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的试验研究

为探究层理倾角对岩石强度、变形及纵波波速的影响规律,以研山铁矿东帮边坡层状黑云变粒岩为研究对象,对层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的岩样进行单轴压缩、巴西劈裂、直剪和纵波波速测试试验。结果表明:单轴抗压强度均值的最大值和最小值对应的层理倾角分别为0°和60°;倾角为45°时弹性模量最小,60°时次之,0°时最大;层理倾角为60°时泊松比最大,15°时最小;随层理倾角的增加,抗拉强度逐渐减小;黏聚力和内摩擦角最大值和最小值对应的层理倾角分别为90°和0°;平行层理方向的波速大于垂直层理方向的波速,纵波在岩样中的传播速度与层理倾角呈线性增加关系。研究成果为研山铁矿顺倾边坡稳定性分析提供基础数据。     

大佛寺低阶煤瓦斯储层的渗透性及其关键受控因素分析

彬长矿区大佛寺煤矿井田具有丰富的煤层气资源,瓦斯抽采的关键因素为煤层中瓦斯运移的难易程度,即渗透性。通过现场取样、实验室制样并采用煤样渗流实验系统进行测试,分析煤层渗透性大小及其关键受控因素,煤样垂直层理方向瓦斯流动通道与平行层理相比发育较少,水分进入煤体后阻塞瓦斯流动通道,瓦斯在垂直层理方向的运移受其影响更大,渗透率随着煤样含水率增加显著下降,不利于瓦斯抽采。     

酸化对富有机质页岩孔隙结构影响的试验研究

随着能源的日益紧缺,页岩气开采尤为迫切。页岩致密低渗,为提高产量必须利用增产措施提高储层渗透率。酸化预处理可有效改善岩石孔隙结构,增强孔隙的连通性,进而提高页岩渗透率及产气量。本试验采用质量分数3%氢氟酸和10%盐酸的混合酸对湖南牛蹄塘组页岩样品进行了酸化浸泡处理,通过超景深显微镜观察了不同酸化时长下页岩层理、裂隙和孔隙结构特征的演化规律,统计了页岩孔隙直径、频次、频率及孔隙度随时间的变化趋势,分析了酸化对页岩内部气体流动的影响。实验结果表明:①牛蹄塘组页岩中的脆性矿物沿层理发育,酸化处理后长石及石英矿物强烈溶蚀,可形成沿层理发育的裂隙;②随酸化时长增加,页岩表面石英、长石的出露面积先增大后减小,酸化后期,脆性矿物与周围矿物间孔隙明显增加,孔隙向深部腐蚀且呈现连通的趋势;③根据不同酸化时长页岩孔隙统计特征可见酸化分为两阶段:酸化初期为产生新生小孔阶段,酸化后期孔隙增大阶段;④酸化使页岩原始致密的单一孔隙结构转变为裂隙和孔隙并存的双重介质结构。孔隙度随酸化时间的增加呈先提高后降低的趋势,现场生产中应综合考虑储层特性和酸岩反应,设计最优作用时间。     

围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式及脆性影响

采用超高刚度常规三轴试验装置Stiffman对砂岩进行单轴与常规三轴压缩试验,研究围压及层理角度对砂岩力学特性影响规律。试验结果表明:层理角度增加使得砂岩轴向和径向峰值应变降低,峰值强度呈增加趋势;层理角度为60°和低围压下层理角度为45°时,层理结构使得峰值强度降低;弹性模量不受层理角度影响。围压增加使得砂岩轴向和径向峰值应变、峰值强度增加,弹性模量呈增加趋势。砂岩破坏受围压和层理角度影响,可分为应力控制型、应力结构控制型和结构控制型3种。基于砂岩轴向和径向峰前及峰后变形特征建立的脆性指标,很好地描述了砂岩脆性随围压和层理角度的变化规律:围压增加,砂岩试样脆性降低;围压相同时,层理角度为60°的砂岩试样脆性最高。