高温对细砂岩力学性质影响机制的试验研究

为了研究高温对细砂岩力学性质的影响,对经历400℃~1000℃高温后细砂岩试样进行X衍射、电镜扫描及单轴压缩试验,分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。结果表明:高温后细砂岩试样内矿物发生了多晶转变,经历600℃以内高温试样内石英含量随温度升高增加,晶体衍射强度增强,600℃高温试样可观察到明显熔融和重结晶现象,超过600℃高温后试样内石英含量随温度升高降低,晶体衍射强度减弱,裂隙数量增多,裂隙宽度和长度有所增加,裂隙可分沿颗粒边界裂隙和穿过颗粒裂隙,600℃约为主要矿物石英变晶的临界温度;经历400℃~800℃高温后试样的纵波波速与温度呈线性降低;经历600℃以内高温对试样的强度具有强化作用,超过600℃高温后试样强度开始弱化,600℃可作为试样强弱转化的阈值温度;经历400℃高温后试样弹性模量、变形模量随温度升高稍有增加,初始模量和峰值应变基本保持不变。超过600℃高温后试样的变形参数随温度升高有所降低,超过400℃高温后峰值应变随温度升高单调增加,高温对细砂岩试样变形参数的影响较为敏感。     

不同冷却条件对高温砂岩物理力学性质的影响

岩石工程可能会经受高温环境。岩石高温后冷却方式的不同往往会导致岩石物理力学性质产生重大变化,这对岩石工程的稳定性、渗透性等都会产生重要影响。采用核磁共振（MRI）、电镜扫描（SEM）和单轴压缩试验对100、300、500、600、800 ℃ 5种不同温度砂岩经两种不同冷却方式（自然冷却和水中冷却）后的孔隙率、孔径分布、峰值强度、峰值应变、应力-应变关系以及微观结构变化等进行研究。试验结果表明：自然冷却时,高温砂岩强度并非随温度升高而持续降低,而水冷却会导致砂岩强度持续降低,且降低幅度远超自然冷却;500 ℃可以看作不同冷却方式对砂岩孔隙率影响的临界值,超过500 ℃,水冷却方式会导致孔隙率急剧增长,大孔径（Ф 10 μm）孔隙所占比例也高于自然冷却,因此,高温砂岩工程采用水冷却方式（如隧道着火后用水灭火）要充分考虑由此可能带来渗透危害;SEM测试表明,当温度 500 ℃时,水冷却对裂纹的增宽和扩展产生促进作用;当温度达到800 ℃时,水冷却砂岩孔洞变大,裂隙更加发育,并贯通连成网络,这会导致透水性大幅提高,同时,这也是该温度水冷却导致强度急剧降低的原因之一。     

高温后花岗岩力学性质及微孔隙结构特征研究

采用MTS815液压伺服试验系统及9310型微孔结构分析仪对花岗岩在温度作用下（常温～1 300 ℃）的宏观力学性质及微孔隙结构特征进行了较为系统的研究。结果表明：①在800 ℃之前,岩样力学性质变化规律不明显;超过800 ℃,岩样强度迅速劣化;达到1 200 ℃,岩样基本失去了承载能力。②岩样孔隙率随温度升高而增大,孔隙率的阀值温度在800 ℃左右,与岩样在该温度点强度突然降低相一致。③岩样孔隙率较小,但连通性好,在阶段进汞曲线上显示为不同宽度微裂隙并存的特征,累计进汞曲线呈台阶状,温度超过800 ℃,超微孔逐渐向微孔隙转化,岩样连通性增强。④岩样孔隙分布分形维数随温度的升高反而降低。在高温作用下,岩样中的热损伤由初始非规则的裂隙结构逐渐向均匀化的孔穴结构转化,非均匀性弱化是导致岩样孔隙分布分形维数降低的根本原因。     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

单相流体对砂岩强度特性的影响

在CO2地质封存过程中,CO2注入深部岩层,引起地层孔隙流体组分和压力的改变,影响岩层的力学稳定性,可能导致储盖层破裂、地表隆起,并引发中小规模地震等不良后果。以砂岩为试验研究对象,以CO2、N2、H2O作为孔隙流体介质,通过控制和调节流体的温度和孔隙压力,开展了单相流体作用下岩石三轴压缩力学特性对比试验,分析了单相流体耦合作用下岩石强度、弹性模量和泊松比等基本力学参数。研究发现,高压孔隙流体使干燥砂岩的峰值强度和弹性模量均出现不同程度降低,泊松比却有较为明显的升高现象,且影响作用从大到小依次为H2O、CO2、N2。孔隙流体降低了干燥砂岩的脆性,并增强了塑性变形,且含水砂岩塑性最强。孔隙流体对砂岩力学特性影响程度取决于流体与岩石矿物成分的相互作用强弱,分析认为砂岩中不同矿物成分对CO2、N2、H2O的选择性吸附导致孔隙流体对砂岩强度影响差异明显,且作用效应从大到小依次为H2O、CO2、N2。     

长期注水对致密砂岩油藏岩石力学性质影响机制研究

注水开发是致密砂岩油藏增产的重要手段,长时间注水会改变地层岩石物理力学性质,影响油井产量。为探究长时间注水对地层岩石物理力学性质影响的微观机制,选取同一储层已注水15a及尚未注水岩芯进行对比试验分析。通过试验得到了注水前后地层岩石在弹性力学参数、矿物成分、微观孔隙结构等方面的差异。长时间注水后,岩石矿物成分及内部结构发生变化,主要表现为黏土矿物及方解石含量降低,岩石颗粒间填充物及胶结物大量减少,中小孔隙发育为大孔隙,孔隙度增大,进而导致致密砂岩力学性质弱化,变形能力增大。     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。     

赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究

浸水或增湿过程中,黄土特有的不稳定结构极易发生破坏,约束黄土的力学行为特征.通过粒度分析、扫描电镜和压汞实验对赵家岸滑坡地区黄土的微观结构进行分析,得到由上到下黏土的胶结作用升高,架空孔隙压缩明显,小孔隙几乎没有变化的特征.不同初始含水量条件下三轴压缩实验显示该区的顶部和底部黄土的强度均随初始含水量的增大而减小.由于底部黄土黏土胶结作用较高,黄土的强度减小速率大于顶部黄土.同时发现c值对于水的敏感性明显大于值,强度的降低主要是c值的减小导致.由于地下水位的升高,滑坡底部黄土的含水量增加,颗粒之间主要承担胶结作用的黏土矿物软化,导致附近的黄土微观结构持续破坏,导致赵家岸滑坡发生蠕动.     

碱金属离子及碱溶液对膨润土性能影响的研究进展

基于前人有关膨润土在碱性环境下的室内试验和数值模拟的研究结果 ,重点阐述了碱金属离子及碱溶液对膨润土矿物成分、微观结构、膨胀性和渗透性等方面的影响,讨论了温度、pH值与溶液浓度等对上述过程的影响。碱金属离子及碱性溶液不仅可交换膨润土中蒙脱石层间阳离子,而且可溶解膨润土中的蒙脱石,生成非膨胀性矿物,并随着温度和pH值升高,蒙脱石被溶解程度增加,从而导致了膨润土膨胀力减小,且随着温度、溶液浓度及pH值的增加,膨胀力削弱程度加强;同时,膨润土与碱金属离子及碱溶液接触时孔隙增多,进而渗透性增强,随着温度和溶液浓度增加,渗透性也明显增强。数值模拟可实现膨润土与碱性溶液长期接触时发生的矿物成分及渗透性变化的预测。高温、不同pH值的低碱性溶液及其耦合作用对膨润土的矿物化学成分、微观结构、膨胀力和渗透性的影响及机理研究应该是今后研究的重点。     

氧化对牛蹄塘组页岩孔隙结构影响的试验研究

页岩气作为一种高效、清洁能源对我国的能源结构改革具有重要意义。由于页岩具有埋深大、地应力较高、孔隙率低等特点导致页岩气开采效率极低。为了探究氧化作用对牛蹄塘页岩的反应机理及在氧化作用下孔隙结构的变化,及探究合理的试验方案进而提高页岩的渗透率和页岩气的开采效率。本文以湖南牛蹄塘组页岩为研究对象,采用30%的过氧化氢溶液对牛蹄塘组页岩试样进行分级浸泡后采用超景深显微镜观察试样表面孔隙结构变化和裂隙演化规律;采用扫描电镜观测氧化前后页岩自然断面和由于氧化作用导致断裂层理面微观结构的变化;采用压汞实验测定氧化前后试样的孔隙结构和氧化作用对页岩孔隙率的改变。结果表明:1牛蹄塘组页岩在浸泡8 h后开始逐渐反应产生大量气泡并在试样表面产生附着物,试样层理间力学性质随反应进行不断弱化,最终试样沿层理断裂。2通过扫描电镜观察到在原始页岩试样中铁元素以硫铁矿形式大面积附着在黏土表面,氧化后硫铁矿中的硫元素基本被氧元素替换。3通过压汞实验得到氧化360 h后的试样较原始试样的孔隙体积由0.041 mL·g-1提升到0.137 mL·g-1、孔隙率由9.35%提升至25.35%。由此可得,氧化对富有机质页岩的孔隙结构产生显著变化、增强了页岩气在页岩中的运移能力。     

高温下石灰岩和砂岩膨胀特性的试验研究

利用自行研制的高温岩石膨胀特性试验装置,对石灰岩和砂岩试件300～700 ℃高温过程中的膨胀特性进行试验研究。试验结果表明,升温过程中,石灰岩和砂岩的膨胀应力随温度的增加而增大,且砂岩膨胀速率比石灰岩大,刚到700 ℃时砂岩膨胀应力是石灰岩的2.45倍。升温过程中膨胀应力与温度曲线的拟合函数为2次抛物线,相关系数达0.94以上。恒温过程中,随时间延长2种岩石的膨胀应力缓慢增加,最后逐渐趋于稳定的数值。600 ℃高温后2种岩石膨胀均达到极限,但具体表现不同,700 ℃恒温结束时砂岩稳态膨胀应力是石灰岩的3.14倍。岩石热膨胀应力变化与其岩性、内部矿物分解、孔隙率变化、声速变化等有显著关系。     

Experimental Study on Water‐rock Reactions with CO2 Fluid in a Deep Sandstone Formation under High Temperature and Pressure

Qiongdongnan Basin has a tectonic geological background of high temperature and high pressure in a deep reservoir setting,with mantle-derived CO2.A water-rock reaction device was used under high temperature and high pressure conditions,in conjunction with scanning electron microscope(SEM)observations,to carry out an experimental study of the diagenetic reaction between sandstone at depth and CO2-rich fluid,which is of great significance for revealing the dissolution of deep clastic rock reservoirs and the developmental mechanism of secondary pores,promoting deep oil and gas exploration.In this study,the experimental scheme of the water-rock reaction system was designed according to the parameters of the diagenetic background of the deep sandstone reservoir in the Qiongdongnan Basin.Three groups of single mineral samples were prepared in this experiment,including K-feldspar samples,albite samples and calcite samples.Using CO2 as a reaction solution,a series of diagenetic reaction simulation experiments were carried out in a semi-closed high temperature and high pressure simulation system.A field emission scanning electron microscope(SEM)was used to observe the microscopic appearance of the mineral samples after the water-rock reaction,the characteristics of dissolution under high temperature and high pressure,as well as the development of secondary pores.The experimental results showed that the CO2-rich fluid has an obvious dissolution effect on K-feldspar,albite and calcite under high temperature and high pressure.For the three minerals,the main temperature and pressure window for dissolution ranged from 150℃to 300℃and 45 MPa to 60 MPa.Scanning electron microscope observations revealed that the dissolution effect of K-feldspar is most obvious under conditions of 150℃and 45 MPa,in contrast to conditions of200℃and 50 MPa for albite and calcite.Through the comparative analysis of experimental conditions and procedures,a coupling effect occurred between the temperature and pressure change and the dissolution strength and calcite.Under high temperature and high pressure,pressure changed the solubility of CO2,furthermore,the dissolution effect and strength of the sandstone components were also affected.The experiment revealed that high temperature and high pressure conditions with CO2-rich fluid has a significant dissolution effect on aluminosilicate minerals and is conducive to the formation of secondary pores and effective reservoirs.Going forward with the above understanding has important implications for the promotion of deep oil and gas exploration.     

Mechanism of the Mudstone Tunnel Failures Induced by Expansive Clay Minerals

Expansive clay minerals can be a serious threat to underground rock structure because of their swelling behavior when absorbing water. Roof and wall collapse as well as large deformation were observed in Xiaotun Coal Mine, Guizhou Province, China. This paper studies the characteristics of expansive clays in order to understand the mechanism of the mudstone tunnel failures in the mine. The physical and mechanical properties of the tunnel surrounding rock samples, including mudstone, silty mudstone, argillaceous siltstone and fine sandstone were determined. X-ray diffraction analysis was conducted to determine the mineralogical composition while the scanning electron microscope was used to examine the internal structure of the different samples. The results indicate that the illite–smectite and the montmorillonite are the main minerals composing the rock samples. A series of micro-cracks and pores occur in the samples which suggest a good hydraulic conductivity. The results indicate that the mudstone has poorer mechanical properties in comparison to the fine sandstone. Also, the Flac3D numerical simulations were conducted and it was shown that the large deformations were consistent with the field observation due to weak mechanical properties of the surrounding rock under seepage action especially with the increase of water head and porosity. It is concluded that internal structure and mechanical strength of the mudstone is weakened by the illite–smectite and the montmorillonite mineral content as well as the combined action of underground water causing physical disintegration.     

Mineralogical and colour changes of quartz sandstones by heat

Seven German and three Hungarian monumental sandstones have been tested in laboratory conditions to analyse the effect of heat. The studied quartz sandstones have a wide-range of cements and grain-sizes including silica-, carbonate-, clay- and ferrous mineral—cemented varieties of fine-, medium- to coarse-grained types. Cylindrical specimens were heated up to 150, 300, 450, 600, 750 and 900°C in an oven. The mineralogical and textural changes were recorded and compared by using microscopy, XRD, DTA-DTG and SEM. Colours and colour differences (a*, b*, L* values) were also measured and evaluated. Colour changes are related to mineral transformations. The most intense colour change is caused by the oxidation of iron-bearing minerals to hematite that takes place up to 900°C. When temperature increases the green glauconite becomes brownish while the chlorite changes to yellowish at first. The colour of burnt sandstone is not a direct indicator of burning temperature, since there are sandstones in which the burnt specimens are lighter and less reddish than the natural ones. Porosity increase is related to micro-cracking at grain boundaries (above 600°C) and within the grains (at and above 750°C) and mineral transformations. The clay mineral structure collapses at different temperatures (kaolinite up to 600°C, chlorite above 600°C) and leads to a slight increase in porosity. The most drastic change is observed in calcite cemented sandstones where the carbonate structure collapses at 750°C and CaO appears at 900°C. Subsequently it is transformed to portlandite due to absorption of water vapour from the air. This leads to the disintegration of sandstone at room temperature a few days after the heat shock.Special issue: Stone decay hazards     

柴北缘东段克鲁克组泥页岩储层特征

柴北缘东段石炭系克鲁克组为一套海陆过渡相碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积,其中泥页岩较为发育。通过野外剖面踏勘和实测对克鲁克组泥页岩纵向发育特征进行了研究,发现克鲁克组一段泥页岩累计厚度为60 m,泥地比达92.6%,是泥页岩发育最好的层段。通过精细岩心观察描述、全岩X射线衍射分析、岩石薄片鉴定、扫描电镜观察及物性分析等,对泥页岩矿物组成、岩相、储集空间类型及物性特征进行了研究,结果表明,泥页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主;黑色纹层状泥质中粉砂岩相、灰黑色条带状泥质粗粉砂岩相、灰黑色条带状含灰灰质泥质粗粉砂岩相和黑色纹层状含生物碎屑泥质中粉砂岩相为主要的岩相类型;储集空间主要发育顺层裂缝、溶蚀孔隙、黏土矿物晶间孔、有机质粒内孔隙及生物碎屑粒内孔;孔隙度在1%~3%,渗透率分布在0.01~1 mD。储层的发育主要受沉积环境、矿物组成和成岩作用的影响,黑色纹层状泥质中粉砂岩相和灰黑色条带状泥质粗粉砂岩相由于沉积厚度大、碳酸盐胶结作用弱、脆性指数较高、储集性能良好,有利于泥页岩储层的发育。     

碎屑砂岩三轴压缩下强度和变形特性试验研究

基于碎屑岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差、呈孔隙式胶结接触等特点,对碎屑砂岩首先开展了物理特性试验分析,认为其微、细观结构复杂、内部破坏严重,矿物成分为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,属微透水、小孔隙率砂岩,且渗水化学侵蚀并不显著。其次,开展了静水压力、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了碎屑砂岩的强度和变形破坏特性。最后,初步探索了物理特性与强度变形特性的关系。结果表明,静水压力为2.6 MPa时,岩样内部微缺陷压密完成;单轴压缩曲线呈明显6阶段特征,峰值应力达0.98 MPa,属脆-延性破坏;三轴压缩条件下,岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,轴向压缩和环向体积扩容达6%和4%;曲线无明显破坏荷载,呈现非线性、塑性硬化、存在屈服平台和体积由压缩向扩容过渡等特性。且体积扩容破损应力与屈服应力基本相同,扩容转折点随围压增加而增大,围压可增强岩样抵抗变形破坏的能力。试验结果旨在为岩石工程稳定分析及本构模型构建提供可靠的依据。     

松辽盆地北部深层碎屑岩浊沸石成因、演化及与油气关系研究

浊沸石作为松辽盆地深层最重要的一种成岩自生矿物，分布广泛，后期受成岩改造强烈，形成了高产的次生孔隙气藏。通过X射线衍射分析、X射线粉晶分析、红外光谱分析和显微热台等分析，确定了松辽盆地深层碎屑岩内浊沸石含量及矿物学特征，探讨了浊沸石的成因；利用扫描电镜和图像分析仪系统研究了浊沸石溶孔特征和深层有机酸与浊沸石次生孔隙的成因关系，指出浊沸石溶孔在纵向上呈发育到较发育到不发育的旋回性变化，溶孔发育段厚度一般2～3m，平面上升平-汪家屯和昌德地区浊沸石溶孔可能连片；浊沸石次生孔隙形成期与天然气主运聚期具较好的匹配关系，并使被浊沸石胶结的砂岩表现出双重性：早期封盖，晚期储集．表明次生孔隙发育带最有可能成为高产油气层。     

某水电站坝基挠曲破碎带工程力学特性试验研究

膝状挠曲破碎带是某水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的碎裂、碎屑软弱砂岩,并呈现孔隙式胶结接触,其工程力学特性对坝基变形和稳定存在巨大影响。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,首先开展了基本物理特性试验分析,认为岩石微细观结构复杂、渗透特性较好,属小孔隙率砂岩。其次,开展了室内常规和现场力学特性试验研究;最后,在宏观力学参数确定的基础上,探讨了破碎带对工程作用的响应及影响。结果表明,破碎带岩石内部结构破坏严重,矿物成分主要为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,但化学侵蚀并不显著。常规剪切曲线呈现出明显的4阶段特征,三轴压缩试验破坏机制为塑性剪切破坏,表现出强度低、延性扩容明显、出现屈服平台等特征,且碎裂岩强度略高于碎屑岩;现场试验表明岩体变形均匀,变形模量较低,处于60～630 MPa;地基承载力处于0.8～2.3 MPa。研究成果对该水电站坝基工程有重要的参考价值。     

惠州凹陷东部珠海组储层碱性成岩作用及孔隙演化

根据铸体薄片、扫描电镜、粒度分析、X衍射等资料,对惠州凹陷东部珠海组储层的岩石学特征、成岩作用和孔隙演化过程进行分析研究。研究认为,惠州凹陷东部珠海组储层的岩石类型以岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩、岩屑质石英砂岩和岩屑质长石砂岩为主,结构成熟度与成分成熟度较低。砂岩埋藏过程中经历了明显的碱性成岩作用:石英的溶蚀与交代、碳酸盐矿物胶结、伊利石和绿泥石的沉淀以及钠长石化等。碱性成岩作用对孔隙的影响包括:石英溶蚀形成次生溶孔、碳酸盐胶结物沉淀损失粒间孔隙、黏土矿物沉淀形成晶间微孔。研究区珠海组主要发育粒内溶孔和粒间溶孔,原生孔隙较少。储层现今处于中成岩阶段A期,早期经历了强烈的压实作用,使其孔隙度由原始孔隙度32.1%降低至8.8%。早成岩阶段为碱性成岩环境,石英溶蚀增孔约0.5%;碳酸盐、硫酸盐、伊利石等胶结物沉淀减孔约2.3%。中成岩阶段A期为酸性成岩环境,硅质、高岭石等胶结物沉淀减孔约1.2%;长石、岩屑等溶蚀增孔约4.3%。最终,储层演化至现今孔隙度10.1%。