层理倾角与尺寸效应耦合作用下页岩致裂的数值模拟研究

研究同种材料页岩不同尺寸及不同层理倾角下对其力学特性和破坏特征的影响,为黔北地区凤冈三区下寒武纪统褐色页岩在水力压裂下页岩气开采提供重要理论指导。基于RFPA^2D-Flow软件构建页岩模型,控制围压为10MPa,水压为8MPa,石英含量固定为40%。设置4组高宽比为1、2、3、4,每组高宽比设置不同层理倾角为0°、30°、60°、90°。共计实验组数为16组,分析了层理倾角与尺寸效应对页岩应力—应变曲线特征、峰值强度、变形特征、和破坏特征的影响。研究表明:页岩基质的弹性模量与峰值强度皆具有尺寸效应,页岩的弹性模量与峰值强度受层理倾角影响显著,均表现出明显的各向异性。同高宽比作用下,随着层理倾角的增加,抗压强度呈“V”型曲线。基于不同层理倾角和高宽比试件的裂纹分布,可将破坏模式分为3种,即Ⅰ型、多折线型、火焰型破坏,所有模型以Ⅰ型破坏模式居多。高宽比为1、3和4时主要发生拉伸破坏,伴随少量剪切破坏,表明试件抗压不抗拉的特点,高宽比为2时,拉伸破坏与剪切破坏均衡,表明试件既不抗压也不抗拉的特点。     

页岩渗流-损伤演化特征试验研究

页岩属于低渗致密岩石,页岩储层渗透性是页岩气开采过程中的关键问题,基于岩石力学三轴渗透性试验,研究黔北下寒武统牛蹄塘组页岩渗流-损伤演化过程的特征。试验结果表明:页岩渗透率的变化与损伤作用与应力状态有着很强的关联性,页岩损伤演化过程存在不同阶段性特点,损伤主要发生在弹塑性变形阶段与在应变软化阶段;页岩渗透率演化落后于页岩损伤破坏演化过程;中等围压条件下试样出现局部变形带压缩带,造成页岩渗透率有一定程度的减小,压缩带是造成了页岩渗透率演化过程落后于页岩损伤破坏演化过程的原因。     

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。     

隐伏断层对采空区悬顶诱发突出的影响研究

为了揭示采空区顶板诱发煤与瓦斯突出机理,进行了相关数值模拟研究。研究结果表明:采空区悬顶导致上覆岩层的重力传导至工作面附近煤体中,诱使煤体内部应力集中现象严重,塑性区范围增大。同时使得煤体内部的裂隙较为发育,裂隙范围也相对较大,为瓦斯的运移和储存提供了良好的地质条件;煤体内部的压力增大有利于瓦斯的吸附解吸活动;采空区悬顶使得工作面附近煤体产生应力集中且有利于裂隙发育而提高了瓦斯的运移和储存;隐伏断层的存在加剧了上述情况,使得煤与瓦斯突出的危险性进一步提升;通过3DEC模拟出了隐伏断层失稳时的泄压现象。     

川东北地区下侏罗统自流井组大安寨段陆相页岩脆性特征及其控制因素

以川东北地区下侏罗统自流井组大安寨段页岩层系为研究对象，通过系统开展岩相与矿物组分、动态和静态岩石力学性质以及成岩作用等研究，明确了大安寨段不同夹层类型页岩的脆性特征及其控制因素。结果表明：(1)大安寨段陆相页岩层系内主要包括黏土质页岩、粉砂质页岩、介壳灰质黏土质页岩和介壳灰岩4种岩石类型，整体表现为高黏土矿物含量、碳酸盐矿物局部富集特征。长英质矿物以陆源碎屑来源为主，有机质丰度与黏土、长英质和碳酸盐矿物含量间相互关系复杂。(2)页岩脆性受矿物含量、矿物结构及其相互关系共同影响。大安寨段处于中成岩阶段，固结程度较低，长英质矿物对脆性影响弱于碳酸盐矿物。钙质介壳含量的增加导致动、静态岩石力学参数的差异，并降低了岩石破裂及裂缝扩展所需的能量消耗。(3)大安寨段夹层类型多样，矿物组成与结构复杂。夹层结构均一型页岩动、静态力学参数具有良好正相关性，夹层结构不均一型（介壳夹层）页岩动、静态杨氏弹性模量总体负相关。因此，应充分考虑岩性、夹层类型、岩石力学性质差异性和成岩作用等因素，建立侏罗系陆相页岩脆性与可压裂性评价体系。上述结论对深化复杂夹层类型陆相页岩油气储层脆性认识与地质-工程甜点评价具有重...