不同粒度砂岩力学和渗透特性试验研究

为探讨砂岩粒度对力学行为和渗透特性的影响,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对取自同一工程的粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩进行常规三轴试验和三轴压缩全过程渗透试验。研究表明:随着粒度减小,砂岩抗压强度及抗剪强度参数c和φ均增大;渗透水压作用下砂岩强度降低5.15%~24.66%。渗透率变化规律与变形变化特征呈阶段对应:线弹性阶段砂岩内部孔隙被压密,渗透率降低;弹塑性阶段渗透率先是缓慢增加然后急剧上升,在峰后达到最大值;峰后继续破坏阶段渗透率又呈逐渐降低特征。相同粒度砂岩的渗透性随围压增加而降低,且不同围压下渗透率可拟合成线性函数;相同围压下不同粒度砂岩渗透率整体特征表现为:粗粒砂岩渗透率K约为中粒砂岩的105倍,中粒砂岩渗透率K约为细粒砂岩的10倍。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

不同物性的储层砂岩出砂力学响应分析

储层砂岩是由砂岩颗粒胶结而成的沉积岩,同一区域的物性特征不尽相同,油藏开采时的地层响应和出砂也会有差异。以2种不同的储层砂岩为研究对象,基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,模拟射孔围压和油藏流速一定时的砂岩宏细观力学响应,分析出砂的发生和发展过程。砂岩的宏观应力曲线表明砂岩颗粒间的弱胶结性越弱,胶结物质含量越少,砂岩越容易屈服破坏,出砂越容易。砂岩的黏结应力分布同样说明储层的砂岩颗粒越小、胶结含量和胶结程度越小,离散的颗粒越多,颗粒接触上的受力越大,砂岩破坏越严重,出砂的几率越大;同时,颗粒的位移和旋转也说明胶结物质对储层砂岩力学特性和出砂的影响较大,与上述研究成果一致。储层开采中,不同物性的储层砂岩力学响应不同,出砂特性有差异,需要针对实际的储层物性和赋存环境,采用适宜的出砂预测方法和防砂手段。     

不同含水状态下煤矿砂岩SHPB试验与分析

为研究含水率对岩石动态力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对4种含水状态下长径比为0.5的两处煤矿砂岩实施单轴冲击压缩试验,获得相应状态下砂岩试件的动态应力–应变曲线。试验结果表明,在高应变率加载条件下,由于砂岩含水裂纹中自由水的表面张力作用和Stefan效应,产生了抑制裂纹动态扩展的阻力;且砂岩试件含水率越大,裂纹动态扩展阻力越大,砂岩的动态单轴抗压强度越高。拟合发现,砂岩动态单轴抗压强度随试件含水率呈幂函数增长。由于自由水充填了砂岩试件中的孔隙和微裂纹,砂岩试件纵波波速随含水率也呈幂函数增长。     

受不同加载偏转角影响的含裂纹砂岩劈裂声发射试验研究

目前,岩石声发射方向性存在与否尚无定论,岩石中裂纹的存在对岩石声发射方向性是否存在影响也无深入的研究。针对完整的和含有一条预制裂纹的砂岩圆盘试件,分别偏转5°,10°,15°,35°,60°角进行岩石声发射方向性验证劈裂试验,对比分析了不同加载偏转角度下完整砂岩和含预制裂纹砂岩的声发射特征。研究表明:(1)偏转角度的不同对砂岩声发射Kaiser效应确有影响,随着偏转角度的增大,砂岩声发射Kaiser效应逐渐模糊直至消失,证明在此试验条件下砂岩的声发射Kaiser效应方向性随着偏转角度的增大而愈加明显。(2)含裂纹砂岩的Kaiser效应方向性比完整砂岩的Kaiser效应方向性更明显,具体表现为含裂纹砂岩的声发射Kaiser效应比完整砂岩在偏转过程中消失得更快。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力的可行性和准确性提供试验论证。     

砂岩高温后的力学特性

对焦作砂岩在常温及经历100℃～1 200℃温度作用后的力学特性进行试验研究,详细分析加温后砂岩的表观形态、峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比以及应力-应变全过程曲线等的变化情况,并对砂岩的高温劣化机制作初步探讨.研究表明,高温使砂岩的表观形态发生改变;在400℃以内,温度对砂岩的力学性能影响不大,加温对砂岩的某些力学指标有一定的增强作用;但经历的温度超过400℃后,随受热温度升高砂岩的力学性能发生劣化,砂岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,而800℃前砂岩的峰值应变随温度的升高而大幅增加;砂岩的变形大体随经历温度的升高而增大;600℃前砂岩的泊松比随经历温度的升高而减少,而后呈上升趋势.温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化.     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

冻结砂岩冲击及爆破破岩能量耗散等效模型研究

为探究寒区爆破工程中冻结岩体的可爆性差异,对不同含水率的冻结砂岩进行SHPB冲击试验,并结合柱状炸药能量分布的理论解析,研究冻结砂岩冲击及爆破破岩能量耗散特性,进而提出冻结砂岩爆破炸药单耗模型,同时运用数值模拟方法进一步修正单耗模型。研究结果表明：(1)随着含水率提高,砂岩试样的破坏程度逐渐加剧;相同含水率下,冻结砂岩试样的破坏程度要弱于常温砂岩试样。(2)随着含水率w提高,常温和冻结砂岩试样的耗散能量均逐渐降低;相同含水率下,冻结状态砂岩的冲击耗散能量均高于常温状态砂岩;当含水率为0w,0.25w,0.50w,0.75w,1.00w时,其耗散能量增幅分别约为21.6%,64.9%,80.3%,78.2%,83.3%。(3)等效处理砂岩的冲击破岩耗散能量和柱状乳化炸药的爆破破岩能量,得到砂岩的爆破炸药单耗与含水率的拟合公式。(4)采用ANSYS/LS-DYNA的SPH粒子流算法进行爆破漏斗试验模拟,基于立方根相似定律,对砂岩的爆破炸药单耗进行修正,并对修正后常温和冻结状态砂岩的爆破炸药单耗进行拟合,得到修正的炸药单耗模型。     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

建筑砂岩多功能处理剂的研究

砂岩是一种使用广泛的建筑石材,由于自身物理化学性质的缺陷使其在使用中存在很多弊端。以水玻璃为基材添加三聚磷酸钠、四硼酸钠、聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸钠等几种复配剂制成的多功能砂岩综合处理剂,采用特殊的渗透工艺通过空隙完全渗入砂岩内部,在根治各种各种砂岩自身缺陷的同时,可以很大程度地提高砂岩的硬度、抗压强度、耐磨性以及耐酸性等。经过处理的砂岩,各项性能都得到了很大提高,大大扩展了其适用范围。     

饱水砂岩的剪切流变特性试验及模型研究

 利用JQ200型岩石剪切流变仪,对武汉越江隧道围岩中的饱水砂岩进行剪切流变试验,得到不同应力状态下饱水砂岩的剪切流变曲线,研究其流变特性,并与干燥砂岩的流变特性做比较,发现饱水砂岩比干燥砂岩具有更明显的流变性,且饱水砂岩的应力门槛值比干燥砂岩的小些。基于得到的剪切流变试验曲线,用后验排除法进行流变模型的识别,最终选用五元件黏弹性剪切流变模型对试验曲线进行拟合,接着提出一种I-NVPB模型对全过程剪切流变曲线进行模拟,同时获得饱水砂岩的全部剪切流变参数。将试验结果与模型拟合结果进行对比分析,得出有关结论并显示所选模型的正确性,具有重要的工程实际意义和推广价值。     

不同温差冻融后砂岩蠕变特性及分数阶损伤模型研究

为研究不同冻融环境下岩石工程的长期稳定性,开展不同温差冻融后石英砂岩、变质砂岩及红砂岩核磁共振检测及三轴蠕变试验,探讨各类砂岩在不同温差冻融作用下的孔隙结构发展规律及蠕变劣化特性。试验结果表明,冻融循环作用促进了砂岩内中小尺寸孔隙的发育扩展,冻融温差范围越大则变质砂岩与红砂岩孔隙的发育程度越高,而石英砂岩对冻融温差的敏感性较弱;随着冻融循环次数的增加,冻融后砂岩的蠕变量随之增加,而长期强度逐渐降低。冻融温差的变化控制着冻融后砂岩蠕变量的上升幅度及强度的下降趋势,红砂岩在不同温差冻融作用下的时效力学响应最为突出,而较大温差冻融后石英砂岩及变质砂岩在破坏应力水平下更易发生加速蠕变。基于统计损伤与分数阶微积分理论,建立能够表征不同温差冻融后砂岩三轴蠕变力学行为的分数阶损伤蠕变模型,模型参数分析表明,体积模量与黏弹性剪切模量具有随冻融循环次数及温差范围的增加而普遍下降的趋势,分数阶阶数及时效损伤参数与砂岩蠕变的时间及变形尺度相关。模型曲线与试验数据的吻合度较高,验证模型能准确描述不同温差冻融后砂岩蠕变全过程力学特性。     

崩解性砂岩改良膨胀土的裂隙发育规律研究

文章以引江济淮项目膨胀土、崩解性砂岩为研究对象,利用崩解性砂岩对膨胀土进行改良,通过室内干湿循环试验研究干湿循环对砂岩改良土的裂隙宽度发展情况的影响。试验结果表明：在持续的水分蒸发过程中,砂岩改良土的裂隙宽度发展较均匀,持续的水分蒸发对砂岩改良土的影响较小;随着干湿循环次数的增加,砂岩改良土的蒸发速率和残余含水率变化幅度较小,改良后土体水分蒸发受干湿循环的影响减小;随着干湿循环次数的增加,砂岩改良土裂隙最大宽度、裂隙平均宽度、宽度峰值差的变化幅度较纯膨胀土平缓,掺入砂岩后,膨胀土裂隙发育受干湿循环影响减小。     

粒度对砂岩力学及声发射特性的影响研究

对取自重庆地区的不同粒度的砂岩进行单轴压缩条件下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析研究,以研究粒度对砂岩在单轴压缩破坏过程的影响规律,并以此进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)粒度越大,砂岩的抗压强度越大,弹性模量越大,峰值应变越小。表明粒度越大,砂岩的抗压和抗变形能力越强。(2)砂岩的声发射现象可以分为三个阶段:初始压密期、平静期和爆发期。粒度对砂岩的声发射初始压密期和平静期影响不明显,但对爆发期有显著影响,粒度越大,砂岩在破坏阶段的声发射越剧烈。(3)从砂岩声发射RA值可以看出,砂岩破坏时的裂纹为张剪混合裂纹,以剪切裂纹为主,粒度越大,张拉裂纹越多。并且砂岩声发射RA值在破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为砂岩破裂前兆信息。。     

经化学溶蚀并高低温作用后砂岩的力学特性试验研究

选取四川黄砂岩为岩样,通过单轴压缩试验,研究砂岩在不同化学溶液(HCl溶液、NaOH溶液、水溶液)中浸泡后经高温,冻融循环后的力学特性,分析各溶液下砂岩的应力-应变关系、峰值应力、峰值应变、弹性模量等物理力学特性在经历不同高温、不同最低冻结温度后的变化规律,从微观力学和化学机理的角度探究砂岩的损伤机理。试验结果表明:冻结温度的降低会对砂岩造成一定的损伤劣化;-40℃以后,砂岩表面孔洞和坑蚀逐渐增多,损伤劣化程度逐渐增大,HCl溶液对冻融损伤劣化有一定的促进作用。高温会使得砂岩表观形态发生改变,延性逐渐提高;600℃时,砂岩的弹性模量和峰值应力达到最大,然后随温度的提高而降低。     

单轴压缩下饱水裂隙砂岩体积效应的试验研究

为研究水和岩样体积对砂岩物理力学及变形特性的影响,采用MTS815型岩石力学测试系统,对干燥和饱水状态下的3种不同体积(高径比2∶ 1)完整和裂隙砂岩进行单轴压缩试验。结果表明:完整和裂隙砂岩的孔隙率与饱和吸水率与岩样体积成正比;干燥和饱水的完整与裂隙砂岩单轴抗压强度均随体积增大而小幅降低;砂岩弹性模量和变形模量与岩样体积呈负相关,且水降低了砂岩的弹性模量与变形模量;干燥砂岩的泊松比随岩样体积增加而增大,而饱水砂岩则随岩样体积先增加,后稳定;干燥的完整和裂隙砂岩的宏观破坏形式由小尺寸的轴向多劈裂面破坏逐渐转变为大尺寸的单一剪切破坏,水的存在对岩样单轴压缩破坏形态没有明显影响。     

砂岩蠕变特性的水物理化学作用效应试验研究

 针对干燥、饱水以及不同离子浓度和酸碱度水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,完成一系列单轴压缩蠕变试验。根据试验结果,通过对不同应力水平下干燥砂岩和饱水砂岩的应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的比较分析,揭示饱水砂岩蠕变特性的水物理作用效应与机制。在此基础上,分别针对砂岩在酸碱度相同而离子浓度不同以及酸碱度不同而离子浓度相同这两类流动水溶液作用后,其应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的差异性开展系统研究,获得砂岩蠕变特性的水溶液离子浓度影响效应和酸碱度影响效应,进而探讨其水物理化学作用机制。研究结果表明,饱水砂岩蠕变性质比干燥砂岩明显;上述不同流动水溶液作用后的砂岩蠕变特性又比干燥、饱水砂岩显著;饱水砂岩蠕变特性主要存在水物理作用效应;而不同流动水溶液作用后砂岩的蠕变特性则兼具水物理作用效应和水化学作用效应;砂岩蠕变的水溶液离子浓度作用效应呈现出离子浓度越高则蠕变特性越显著的特点。研究成果对于岩石流变力学及水–岩相互作用领域的理论与应用研究,具有良好的启示与借鉴意义。     

红层砂岩与砾岩差异风化的湿度应力效应研究

目前针对红层砂岩与砾岩差异风化的研究主要集中于二者物理力学性质的对比,而对差异风化的外动力因素研究较少。通过对浙江省红层盆地中的12个拱形岩穴和1个天然石拱的现场调查,结合砂岩、砾岩的室内干湿循环实验,以及砂岩、砾岩水分运移和湿度应力分布的数值模拟研究,分析了红层砂岩与砾岩岩层在风化速率、风化特征等方面的差异。结果表明,砂岩与砾岩的崩解实验破坏特征与现场调查的结果相吻合,砂岩风化主要表现为沿球面状裂隙剥落或沿层面剥落,砾岩风化主要表现为砾石从基质中脱落。砂岩的崩解速率远大于砾岩,砂岩变形量为0.15～0.18 mm,而砾岩仅有0.001～0.002 mm的变形量。数值模拟结果也揭示了砂岩和砾岩差异风化的内在机制,在吸水过程中均质砂岩产生了球面状分布的湿度应力,砂岩在球面状拉应力作用下呈洋葱式剥落;砾岩则在砾石与基质的接触面具有湿度突变与拉应力集中,导致砾石在拉应力作用下从基质中脱落。上述研究成果充分揭示了湿度应力是控制红层砂岩与砾岩差异风化的外动力因素。     

延长晚古生界煤系致密砂岩气藏的一种成藏模式——自生自储

致密砂岩气藏是我国近年来重要的天然气增长气藏类型,新探明的延长、川西、塔北及吐哈油田天然气均属于这种类型。通过对延长致密砂岩气藏的研究,发现这种致密砂岩气藏发育在煤系中,是一种典型的岩性气藏,这种岩性气藏存在自生自储成藏模式。延长晚古生界致密砂岩气藏发育在煤系中,部分致密砂岩含有大量煤屑或炭质泥岩颗粒。从岩心上来看,含炭屑的岩心多者可占表面积的10%～15%,少者也在2%～3%,一般均在7%～8%。这些煤屑或炭质泥岩颗粒来自于沼泽中的泥炭,是潮汐对泥炭沼泽的冲洗和河流在洪水期决口后进入泥炭沼泽对沼泽中沉积的泥炭进行侵蚀和搅浑的结果。在成岩作用中,泥炭颗粒发生煤化作用,释放出大量以甲烷为主的天然气。延长晚古生界致密砂岩气藏的R_o值大部分超过了2.0,已进入有机质变质阶段。又由于砂岩本身致密,煤化过程中释放的大量天然气就会保存在砂岩中,形成这种特殊的自生自储型致密砂岩气。只要煤系中含有一定量有机质碎屑的致密砂岩就可以形成致密砂岩气,因此我国煤系致密砂岩气的储量十分巨大。     

泥质粉砂岩崩解特性的试验研究

为了研究泥质粉砂岩的崩解特性,本文采用将中风化程度的泥质粉砂岩置于充满不同PH溶液的耐崩解性试验仪中进行外动力作用下的崩解试验,对比并分析不同PH溶液对泥质粉砂岩崩解特性的影响,以及泥质粉砂岩在崩解试验过程中颗粒级配变化情况。试验结果表明:酸性环境对泥质粉砂岩的崩解性影响较碱性环境大;泥质粉砂岩的崩解性随着酸性的增强而逐渐增强,随着碱性的增强而逐渐减弱。