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页岩储层构造应力场模拟与裂缝分布预测方法及应用 总被引：3，自引：0，他引：3
裂缝是页岩气富集高产的关键因素。页岩储层相对于其他类储层,其塑性相对较强,非构造裂缝比较发育。构造裂缝除了高角度的张性裂缝以外,还发育有较多近水平的层理缝和低角度构造滑脱缝等。针对页岩储集层的特点和裂缝发育特征,从地质成因的角度,明确了页岩储层构造应力场模拟数值模拟与裂缝分布预测的方法,其核心在于建立模拟地区目的层的精确地质模型、力学模型和计算模型。利用页岩的单轴和三轴压缩变形试验和声发射古、今地应力测试结果进行应力场数值模拟,获得研究区构造应力场分布,将应力场模拟果与实际地质资料对比分析,进一步检验校正已建立地质模型的合理性;在此基础上,针对富有机质页岩主要发育张裂缝和剪裂缝的特殊性,分别采用格里菲斯、库伦摩尔破裂准则计算页岩储层张破裂率、剪破裂率,依据张裂缝与剪裂缝所占的比例关系,求取页岩储层的综合破裂率,据此分别定量表征页岩储层中张裂缝、剪裂缝和构造裂缝的发育程度及分布特征;并在全面考虑影响页岩储层裂缝发育程度的综合破裂率、脆性矿物含量、有机碳含量多种主控因素的基础上,进一步提出了页岩“裂缝发育系数”作为最终判别指标,综合定量表征页岩储层裂缝的发育程度和预测裂缝的分布,页岩裂缝发育系数越大,裂缝发育程度则越高。该方法在我国渝东南地区下志留统龙马溪组页岩储层裂缝分布预测中得到了有效应用。此不仅为页岩气甜点优选提供了一种新的技术方法,而且模拟成果对页岩气水平井和压裂改造方案的设计具有重要的参考价值。 相似文献
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剪裂角是表征岩石共轭节理裂缝形态特征的重要参数，是岩石破裂程度及形态特征的重要体现，论文基于南川地区龙马溪组页岩的发育特征，利用野外观察、实验测试等手段梳理了研究区页岩节理剪裂角的发育情况，并探究了其发育规律。结果表明：研究区节理剪裂角发育具有一定的方向性，构造特征是影响节理剪裂角发育情况的重要因素，构造演化影响剪裂角发育方向，构造条件越复杂，节理剪裂角越发育；页岩成分通过影响页岩脆性系数，影响着节理剪裂角大小的发育情况，两者分布呈负相关关系；岩石力学性质是影响节理剪裂角发育的内在因素，岩石内摩擦角越大，节理剪裂角越小。 相似文献
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大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的;(2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因;(3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征;(4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围;提出岩爆破裂的张性应力控制依据。 相似文献
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含气页岩受力后裂隙扩展分布方式与矿物之间的关系研究对页岩气勘探开采具有重要指示意义,但受制于前期仪器设备水平的不足,目前相关研究较少。本文以四川盆地志留纪龙马溪组页岩为例,分别选择三轴压缩试验前后的天然样和压缩样进行氩离子抛光,借助高性能场扫描电镜和能谱仪进行矿物晶体和微纳尺度的裂纹观察（分别设定扫描电镜像素大小10 nm和1 μm,观察面积设为1 mm）,结合空间统计分析技术,进行三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征及其与矿物组成的相关关系进行分析研究。研究表明,三轴压缩试验前后,样品内微纳尺度裂隙的空间分布均符合幂律分布,具有一定的自仿射性和层次结构性。但是不同矿物（石英、长石、碳酸盐、黏土等）在受压前后产生的微观裂隙分布特征值（D、logC）变化方式存在显著差异,反映了不同矿物的力学响应特征和机制的不同以及不同矿物对页岩压裂造缝的贡献作用的不同。脆性矿物中的长石、碳酸盐矿物组成以及脆性矿物与黏土矿物的相互作用可能对页岩缝网改造中起着较为重要的作用。不同矿物压缩前后的破坏模式总体存在从张性破坏到剪性破坏的转变过程,然而不同矿物类型在压缩前后裂隙展布形态特征及力学机制有很大不同,特别是碳酸盐类和黏土类矿物变化最为显著,容易形成较复杂的缝网,并存在复杂应力状态主导的多种不同力学机制裂纹共存的现象,在研究时需要考虑页岩复杂矿物构成和结构导致的破裂过程的不确定性等因素。 相似文献
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水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。 相似文献
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随着页岩气开采、废水回注和CO2地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。 相似文献
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《岩土力学》2018,(Z2)
四川盆地龙马溪组页岩具有较好的生烃潜力。为研究龙马溪组页岩力学特性,首先对完整页岩试样开展了单轴压缩试验,基于颗粒流离散单元法反演单轴压缩岩石动态破坏过程,通过模拟常规三轴压缩试验,研究不同应力条件下页岩脆性破坏特征。研究表明,该龙马溪组页岩脆性矿物含量高,强度大,脆性特征明显;不同应力条件下龙马溪组页岩发生脆性破坏时具有相似的破坏特征,且峰值强度符合Mohr-Coulomb线性规律。加载到岩石损伤应力以前,微裂纹的分布无明显方向性和区域性,该时微裂纹的分布应与岩石的非均质性有关;损伤应力后微裂纹的萌生、聚集和贯通将受应力影响。页岩的特征应力(起裂应力、损伤应力、峰值强度)与围压表现出强相关性,但围压对峰值应力的影响程度比对损伤应力和起裂应力的影响程度更大,因裂纹稳定扩展阶段,微裂纹独立产生无相互影响,峰值应力还需考虑微裂纹间的相互作用及形成的宏观破裂面粗糙性的影响。 相似文献
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发震断裂上覆土层破坏机制及破裂扩展规律的试验研究 总被引：3，自引：0，他引：3
通过模型试验研究了发震断裂上覆土层破坏机制及破裂扩展规律。覆盖层的破裂有两种不同的机制，即张裂和剪裂。剪裂缝的扩展是跳跃式的，土层的破裂是一个具有间歇性的过程。 相似文献
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泥页岩的可压裂性是决定页岩油气能否有效开发的关键之一。由于沉积和成岩过程中的差异,常造成泥页岩在成分、结构、构造、成岩作用等方面存在明显的非均质性。可压裂性在本质上是泥页岩岩性特征的综合反映,所以泥页岩这些不同方面的岩性特征也就成了影响可压裂性的关键因素。本文通过分析岩石力学和工程力学的相关研究成果,结合实验数据,分析总结了泥页岩岩性因素对可压裂性的影响机理。认为尽管脆性矿物的含量是定性判断泥页岩可压裂性的重要依据,但长英质矿物作为脆性指标应该建立在中强成岩作用基础上;长英质颗粒或自生矿物晶粒大、形态复杂、分布密集、有序度高,有利于提高泥页岩的可压裂性;层理发育,纹层连续性强则会降低泥页岩的可压裂性;成岩作用强,矿物之间固结紧密,泥页岩的可压裂性也会增强。在泥页岩油气勘探开发过程中,必须注意岩性差异对泥页岩可压裂性的影响。 相似文献
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利用RMT－150C电液伺服机对含不同预制裂隙形式（单、双、T形交叉及X形交叉裂隙）的类岩石试样进行了单轴压缩试验,系统地研究了裂隙形式对试样强度特征及失稳模式的影响。试验发现,（1）不同裂隙形式下裂隙的起裂破坏模式主要表现为初始裂隙起裂破坏,裂隙形式与破坏模式关系不突出;（2）单轴抗压强度受裂隙形式影响明显,随着裂隙形式由单裂隙到X形交叉裂隙变化,裂隙试样抗压强度呈现增高趋势,同时试样起裂和失稳时的声发射总能量也逐渐增大。进一步对裂隙形式影响强度特征的机制进行了初步分析,研究成果可以反映不同裂隙形式组合对工程岩体稳定性的影响规律。 相似文献
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炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究 总被引：1，自引：0，他引：1
页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。 相似文献
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为研究在渗流应力耦合作用下含裂缝页岩的力学性质以及破坏模式,利用岩石破坏过程分析系统RFPA2D-Flow,建立7组含不同角度预制裂缝的页岩模型,并对其破裂过程进行了数值模拟。研究表明：页岩的破裂过程分为线性变形、屈服变形以及完全破坏三个阶段,源于裂缝的存在,页岩的弹性模量和抗压强度均表现出明显的各向异性的特点,且试样的最终破裂模式可分为斜线型、X型、λ型与崩坏型四种。对于不同层理倾角下的裂纹分布,渗流—应力耦合作用下页岩试样的破坏主要是拉伸破坏,并伴随着剪切破坏,其中试验表明,当α=90°时,试样所受的剪切破坏最严重。该研究结果对页岩开采具有重大的意义。 相似文献
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三叉裂隙是自然界普遍存在的一种岩体缺陷形式,其对岩体的力学特性有重要影响。对含预制三叉裂隙的水泥砂浆试样进行室内单轴压缩试验,配合使用摄像机拍摄裂纹的起裂、扩展、贯通过程,通过数字图像技术处理获取试样的应变场云图,并结合PFC2D程序研究不同?、? 条件下试样的强度特征、裂纹模式和裂纹演化扩展规律。研究表明：三叉裂隙对试样单轴抗压强度有明显的削弱作用。当? 恒定为120°时,试样在? = 30°时达到最大抗压强度;当? 恒定为90°时,随?增大,试样抗压强度呈先减小后增大的趋势,且当? = 45°时达到最大抗压强度。试样产生的裂纹可分为3类,分别是张拉型裂纹(Ⅰ型裂纹)、剪切型裂纹(Ⅱ型裂纹)、混合型裂纹(Ⅲ型裂纹)。这3类裂纹通常从裂隙尖端开始产生,并且Ⅰ型裂纹沿加载方向扩展,通常未扩展至试样边界;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹通常与加载方向呈一定角度扩展至试样边界。通过对裂纹的几何形态和组成宏观裂纹的微裂纹成分的分析,得知导致含三叉裂隙试样在单轴压缩条件下失效的是张拉破坏。数字图像技术得到的应变云图表明,当载荷达到一定阶段,裂隙尖端出现应力集中,微破裂开始发育并聚集成微破裂区,微破裂区扩大产生宏观裂纹。通过对主应变和剪应变云图分析,发现导致试样失效的是张拉破坏,剪应变在裂纹扩展过程中的影响较小。 相似文献
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单轴压缩条件下裂隙岩样冻融损伤破坏模式分析 总被引：8，自引：7，他引：1
以寒区裂隙岩体为研究对象,采用水泥砂浆类岩石材料制作具有不同几何特征的裂隙岩样,对预制的不同裂隙岩样进行冻融循环试验和单轴压缩试验,研究裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目以及冻融循环次数对试件贯通模式的影响。试验表明：裂隙岩体的几何特征以及冻融循环作用对岩体损伤破坏模式有较大影响。随着冻融循环次数的增加,岩样破裂面的破裂程度越来越严重,破坏模式也越来越复杂;裂隙倾角为30°的裂隙岩样,主要发生拉伸破坏,而裂隙倾角为60°的裂隙岩样,则表现为拉剪贯通,且双裂隙岩样岩桥间多出现压剪裂纹,对于裂隙倾角为90°的岩样,裂隙数目以及裂隙长度对其影响不大,均为劈裂破坏,且破坏面不一定为裂隙面;预制裂隙长度越大,越容易产生除了主拉裂纹以外的支裂纹（压裂纹）。研究结果可为寒区岩体工程建设及运营提供科学的参考。 相似文献
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脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。 相似文献
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裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明:在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。 相似文献
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The microstructure of rock was numerically reproduced by a polygonal grain‐based model, and its mechanical behavior was examined by performing the uniaxial compression test and Brazilian tests via the Universal Distinct Element Code. The numerical results of the model demonstrated good agreement with the experimental results obtained with rock specimens in terms of the stress–strain behavior, strength characteristics, and brittle fracture phenomenon. An encouraging result is that the grain‐based model‐Universal Distinct Element Code model can reproduce a low ratio of tensile to compressive strength of 1/20 to 1/10 without the need for an additional process. This finding is ascribed to the fact that the geometrical features of polygons can effectively capture the effects of angularity, finite rotation, and interlocking of grains that exist in reality. A numerical methodology to monitor the evolution of micro‐cracks was developed, which enabled us to examine the progressive process of the failure and distinguish the contribution of tensile cracking to the process from that of shear cracking. From the observations of the micro‐cracking process in reference to the stress–strain relation, crack initiation stress, and crack damage stress, it can be concluded that the failure process of the model closely resembles the microscopic observations of rock. We also carried out a parametric study to examine the relationships between the microscopic properties and the macroscopic behavior of the model. Depending on the micro‐properties, the model exhibited a variety of responses to the external load in terms of the strength and deformation characteristics, the evolution of micro‐cracks, and the post‐peak behavior. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。 相似文献