基于均匀化理论的页岩微观多孔黏土强度特性

页岩强度是页岩油气开发所必需的基础技术参数之一,对页岩强度的研究贯穿于钻完井、压裂工艺施工的全过程.常规宏观室内实验存在试样获取困难、耗时较长,受井下工矿制约,地球物理方法获取资料品质欠佳且增加了井下设备卡、埋风险.因此,提出基于均匀化理论评价页岩微观多孔黏土强度的方法,进行多孔黏土组成与力学分析.基于耗散能原理和Drucker-Prager准则,开展了微观多孔黏土的强度与$\pi$函数的应变求解分析;讨论黏土颗粒与粒间孔隙的力学特性,建立多孔黏土的均匀化应变能;采用强度均匀化理论构建微观非线性函数模型,建立与多孔黏土组成、摩擦系数、内聚系数等参数相关的均匀化函数模型;基于纳米力学实验、量纲分析和有限元模拟,分析多孔黏土硬度、强度与组成的内在关系.研究结果表明,页岩微观多孔黏土的弹性模量和硬度与黏土堆积密度正相关,当黏土堆积密度一定时,硬度与内聚系数的比值受摩擦系数影响较大,为非线性递增;通过量纲分析和有限元模拟,求解页岩微观多孔黏土关于硬度--强度--堆积密度的$\pi$函数,揭示页岩微观黏土矿物的组成与力学性质的关系,为进一步深入研究页岩细观强度参数和宏观强度预测奠定基础.      

基于均匀化理论的页岩微观多孔黏土强度特性

页岩强度是页岩油气开发所必需的基础技术参数之一,对页岩强度的研究贯穿于钻完井、压裂工艺施工的全过程.常规宏观室内实验存在试样获取困难、耗时较长,受井下工矿制约,地球物理方法获取资料品质欠佳且增加了井下设备卡、埋风险.因此,提出基于均匀化理论评价页岩微观多孔黏土强度的方法,进行多孔黏土组成与力学分析.基于耗散能原理和Drucker-Prager准则,开展了微观多孔黏土的强度与π函数的应变求解分析;讨论黏土颗粒与粒间孔隙的力学特性,建立多孔黏土的均匀化应变能;采用强度均匀化理论构建微观非线性函数模型,建立与多孔黏土组成、摩擦系数、内聚系数等参数相关的均匀化函数模型;基于纳米力学实验、量纲分析和有限元模拟,分析多孔黏土硬度、强度与组成的内在关系.研究结果表明,页岩微观多孔黏土的弹性模量和硬度与黏土堆积密度正相关,当黏土堆积密度一定时,硬度与内聚系数的比值受摩擦系数影响较大,为非线性递增;通过量纲分析和有限元模拟,求解页岩微观多孔黏土关于硬度–强度–堆积密度的π函数,揭示页岩微观黏土矿物的组成与力学性质的关系,为进一步深入研究页岩细观强度参数和宏观强度预测奠定基础.     

水岩化学作用对黑色页岩的化学损伤及力学劣化试验研究

为模拟黑色页岩化学风化中酸性水-页岩化学作用过程,本文对其进行氧化条件下的不同pH值H2SO4溶液的非平衡流动态腐蚀性试验,获得了黑色页岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征的变化。通过单轴压缩试验,获得黑色页岩在不同浸泡时段的变形和强度特性规律,探讨了酸性水对黑色页岩化学作用的化学损伤和力学劣化的腐蚀效应及机制。研究表明,页岩试件在化学腐蚀后,易溶性矿物成分减小,黏土矿物增加,同时矿物胶结变得松散,矿物边缘变得模糊;页岩试件的相对质量损失与次生孔隙率随pH值减小和浸泡时间的增长而增大,而纵波波速则减小;其力学特性有从脆性破坏向延性破坏转化的趋势,单轴抗压强度和弹性模量有随pH值减小和浸泡时间的增长而减小的趋势。基于次生孔隙率,构建化学损伤变量来描述试件化学-力学损伤演化过程。分析酸性水-页岩化学作用的机理主要为:溶解作用、氧化作用、水解作用及离子交换吸附作用。     

近片层γ-TiAl基合金宏观屈服的微观表征

将近片层-γTiAl基合金视为以等轴γ颗粒为基体,PST颗粒为夹杂的两相复合材料,基于细观力学自洽理论,对合金的有效弹性模量及基体和夹杂中的应力和应变场进行了解析分析计算,并结合细观力学的宏细观关联方法,确定了近片层-γTiAl基合金的宏观屈服的微观表征.结果表明:夹杂颗粒中的应力和应变场与外载及夹杂的体积分数f和椭球长细比ρ有关,软取向PST夹杂颗粒的微变形屈服导致近片层-γTiAl基合金材料的整体宏观屈服.     

钻井完井液浸泡弱化页岩脆性机制

页岩脆性是页岩地层钻井、水力压裂设计的关键参数之一,目前针对钻井过程中工作液浸泡对页岩脆性的影响还未引起关注.通过开展钻井完井液浸泡前后页岩三轴力学实验,利用脆性评价模型分析了页岩脆性变化特征.结果表明,延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩;油基和水基钻井完井液浸泡均能导致页岩脆性降低,且油基钻井完井液浸泡后的页岩脆性降低幅度更大;龙马溪组页岩浸泡后脆性减弱幅度较延长组页岩大.页岩脆性弱化机制包括:(1)由层理面胶结强度不同引起的脆性强弱差异;(2)由毛管自吸作用导致的高孔压、高应力强度因子、低临界断裂韧性;(3)由碱液侵蚀导致的页岩溶蚀孔形成及矿物颗粒碎裂;(4)由黏土矿物水化膨胀产生的膨胀应力;(5)由钻井完井液滤液润滑导致的页岩破裂面摩擦系数降低.延长组页岩层理面强度较龙马溪组页岩低,导致延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩.其次,和水基钻井完井液相比,油基钻井完井液具有更大的自吸量、更高的pH值、更强的润滑性,因此,油基钻井完井液浸泡降低页岩脆性幅度更大.另外,由于龙马溪组页岩具有更小的润湿角、更强的毛管自吸和碱液侵蚀作用,相同浸泡条件下,龙马溪组页岩脆性降低幅度更大.本研究可为页岩地层钻井液性能优化、井壁稳定控制、水力压裂设计等提供理论指导.      

裂隙型硬粘土的力学模型及其在边坡工程中的应用

硬粘土是介于软岩和硬土之间的一种介质, 其中含有规律分布的裂隙, 具有明显的方向性和各向异性特征; 本文从实际应用的角度出发, 提出一种适用于裂隙性硬粘土的损伤力学模型, 并应用于南水北调中线渠道边坡工程的数值模拟分析。     

不同温度热处理后砂岩三点弯曲的断裂特性

通过三点弯曲试验研究了不同温度影响下小尺度砂岩试件的断裂特性,证实温度的影响是明显的.125℃是个临界温度点,此时不仅砂岩的平均断裂韧性达到最大值,而且这时砂岩的裂纹扩展模式也发生了根本性的变化,即低温(低于125℃)热处理后砂岩的断裂以沿颗粒断裂机制为主;而高温(大于125℃)热处理后的砂岩的断裂以破断颗粒和沿颗粒的混合断裂机制为主.在100℃-150℃的温度范围内,砂岩的力学特性变得不稳定,这可能是由于粘土物质内部部分吸附水及层间水的蒸发使得粘土物质孔隙结构发生了变化及力学行为变得不稳定所造成的.从125℃到600℃,砂岩的断裂韧性整体有下降趋势,有约50%的降幅,这不仅与温度影响了粘土物质与矿物的胶结情况有关,也与高温处理后砂岩表面出现的热开裂有关,还与因矿物颗粒及粘土物质的热学性质差异导致冷却后存在的残余应力相关.     

上海软粘土微观特性及在土体变形与地面沉降中的作用研究

对上海软粘土的颗粒及集合体成分、孔径分布、微结构、孔隙溶液与阳离子交换性作了分析 ,对固结前后的孔径变化与人工回灌对土体性质可能带来的影响作了探讨 ,从物理化学角度阐述了软粘土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响.     

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源, 煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产. 煤体是典型的混合物, 其内部不同组分的力学性质差异较大, 使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中, 导致煤体的失稳、破坏, 形成煤矿动力灾害. 本文以非均质煤体为研究对象, 利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳?微米压入实验, 研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质, 实验研究结果表明: 煤体是有机物和多种矿物组成的混合物, 矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中, 不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异, 这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性; 纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构, 测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数, 识别两者力学性质的巨大差异; 微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质, 矿物填充量越多, 煤体混合物的力学性质越强, 同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响. 研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征, 探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏, 为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.      

单轴压缩下页岩类脆性材料细观损伤演化的离散元分析

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度和弹性模量。引入微裂纹的概念,通过定义裂纹密度函数,系统地研究了单轴压缩条件下,页岩层理角对细观结构的影响。此外基于平均配位数建立了配位数变化与细观损伤的联系,并根据配位数的变化与裂纹数量将加载过程分为三个阶段,分析了不同阶段配位数与裂纹数量的对应变化关系。研究表明,页岩的裂纹密度随着层理角的增加而增加,而试样的平均配位数在加载过程中先上升后剧烈下降,颗粒集合体在单轴压缩条件下的应力应变及裂纹数量曲线与平均配位数曲线有良好的一致性。该研究揭示了横观各向同性脆性岩石的破坏过程和内在机理,将为页岩类脆性材料的工程应用提供理论指导。     

测量界面软铬层力学性质的纳米压入法

为了测量双层铬的界面软铬层力学性质,提出了化学腐蚀基体法,通过溶解掉基体制备没有基体支撑的自由铬层,将在横截面内线状显示的界面转化为界面表面(铬层与基体相连接的面),避免了横截面不能显示界面表面的缺点。对界面表面进行纳米压入实验和借助于表征薄膜力学性质的表面压入能量法,测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数。     

人工砂岩物理力学性质的实验研究

在40MPa的成型压力下,选用环氧树脂作为粘结剂,采用不同配比的石英砂、粘土为材料制作了37个直径25mm、高度50mm的泥质人工砂岩。通过声波测量实验与单轴压缩实验得到其力学性质:人工砂岩的动静弹性模量测量结果均随粘土质量分数的增加而降低,其中动态弹性模量的测量结果相对较高。通过CT扫描实验得到其结构性质:人工砂岩中石英砂与粘土分布均匀,石英砂颗粒作为岩体的骨架结构,粒间存在丰富的孔隙空间,粘土则以填充的形式分布在粒间孔隙中。当粘土质量分数大于10%时,部分粘土将代替石英砂成为岩样骨架的一部分。通过覆压渗透实验得到其孔隙及渗透性质:人工砂岩渗透性质近似满足Poiseuille等效管道渗流模型。孔隙度及渗透率均与粘土质量分数呈负相关,其中孔隙度与粘土质量分数符合线性关系,渗透率与粘土质量分数满足负指数关系。     

无胶结材料的离散元微观参数交互作用研究

为研究无胶结材料离散元参数之间的交互影响,采用抗转动模型进行三轴排水试验模拟。首先,采用完全试验设计方法和析因试验设计方法,分别对宏微观参数相依规律以及参数之间的交互作用进行定性分析;然后,采用多元非线性回归分析方法对其进行定量分析,并提出了考虑交互作用的宏微观参数换算理论公式。着重探讨了无胶结材料微观参数中的刚度比α=k_s/k_n(0.3~0.9)、滚动刚度系数β(0.1~3)、颗粒内摩擦角θ(10~40)、法向接触刚度k_n(1×10~7~7×10~7)以及塑性弯矩系数η(0.1~3)与材料宏观力学性质峰值应力σ_p、残余强度σ_r、弹性模量E、泊松比ν以及内摩擦角φ之间的相关关系。研究结果表明,(1)颗粒材料的宏观强度参数主要受颗粒内摩擦角以及抗转动参数影响,而其变形参数主要由颗粒接触刚度及接触刚度比控制;(2)各个微观参数之间就存在不同程度的交互作用,且交互作用对试样宏观性质将产生一定影响;(3)对峰值强度、残余强度和宏观内摩擦角而言,两抗转动参数之间以及抗转动参数与颗粒内摩擦角之间存在较强交互作用。对于宏观弹性模量和泊松比而言,颗粒接触刚度和颗粒接触刚度比与其他微观参数产生较强的交互作用。研究成果对合理科学地确定离散元模型的微观参数具有一定的指导意义。     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

含水率和围压对安家岭泥岩峰后力学特性影响的试验研究

为分析含水率和围压对泥岩峰后力学特性的影响,从山西安家岭矿取泥岩,制成不同含水率的5组试样,在YAW2000电液伺服试验机上开展了三轴试验,获得了不同含水率泥岩试样三轴全程应力应变曲线,使用激光共聚焦显微镜观测了泥岩增水过程中微观结构变化。利用试验结果,分析了围压和含水率对泥岩峰值强度、残余强度、弹性模量、破坏应变和脆性模量的影响规律和泥岩增水过程中微观结构的变化规律。引入脆性模量系数和强度退化指数来描述围压对泥岩峰后强度退化过程和残余强度的影响,与FLAC中的SS模型结合,建立了考虑围压影响的泥岩应变软化力学模型,模拟了围压对泥岩应变软化行为的影响。研究结果表明:(1)随着围压增加,泥岩的峰值强度、偏应力峰值、破坏应变和残余强度都增长,峰后强度降低速率趋缓,强度退化指数和脆性模量系数可以较好地描述围压对泥岩残余强度和峰后强度退化过程的影响。(2)泥岩增水过程中,岩样内微裂隙及尺寸增长,泥岩的力学性质劣化。随着含水率增加,泥岩的弹性模量、峰值强度和残余强度降低,破坏应变增长。含水率与泥岩的弹性模量、峰值强度和破坏应变之间近似服从线性关系。(3)本文基于脆性模量系数的岩石应变软化模型能较好地描述三轴压缩泥岩的全程变形行为。     

平头压痕试验确定热障涂层弹性模量的方法研究

本文模拟了典型热障涂层(TBC)结构在平头压痕作用下的力学响应,重点研究利用平头压痕法确定TBC涂层弹性模量的方法。研究发现k(单位压入应力下压头的压入位移)不仅与材料的性质有关,还与压头的半径有关。本文提出:通过两个不同尺寸的平压头可以同时确定陶瓷层和粘结层的弹性模量。     

考虑软硬物质双变形特征的脆性岩石损伤本构模型研究

基于脆性岩石变形力学特征,将脆性岩石视为由岩石颗粒骨架等硬物质以及裂隙和孔隙等软物质组成;考虑软硬物质变形特点,分别建立了软物质与硬物质的本构关系以及软硬物质与RVE之间的关系。然后,基于几何损伤理论,建立了考虑软硬物质双变形特征的脆性岩石变形破坏模拟方法,根据软硬物质及其与脆性岩石宏观变形关系以及峰值点法,分别提出了力学参数和统计参数的合理确定方法。最后,通过实例分析对本文模型和方法进行验证,结果表明本文模型能够对脆性岩石变形破坏过程进行模拟,脆性岩石宏观变形被视为由软物质变形和硬物质变形两部分组成具有可行性与合理性。     

不同粒径砂粒水泥砂浆冻融破坏实验研究

为研究颗粒粒径差异对水泥砂浆冻融破坏的影响,对不同粒径砂粒水泥砂浆试件进行冻融循环实验,测试不同冻融循环周期后水泥砂浆立方体抗压强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒径砂粒试件破坏面进行观察,分析冻融循环条件对不同粒径砂粒试件破坏形态及其物理力学性质变化规律的影响。结果表明:随冻融周期增加,粒径30目试件表面以颗粒脱落为主,粒径40目试件表面以片状剥落为主。纵波波速以及单次冻融前后质量差值均随冻融周期增加而降低。在冻融循环前期,水化反应对试件力学性能影响占主导地位,造成试件抗压强度、弹性模量增加,冻融循环后期,冻融损伤加剧,微裂纹、微孔洞扩展造成抗压强度、弹性模量降低。相同冻融周期后,纵波波速、抗压强度和弹性模量随粒径减小而降低。提出改进的微观颗粒胶结物理模型,解释了不同粒径水泥砂浆冻融破坏机制。     

颗粒破碎的微观力学模拟

基于颗粒尺度建立了考虑颗粒破碎过程中能量耗散的微观力学模型。为了模拟颗粒体的破碎过程和侧向应力的影响,把胶结在一起的三个等粒径的颗粒体当作颗粒破碎体。基于颗粒破碎准则和热力学原理,考虑了颗粒破碎过程中颗粒接触点之间的塑性滑移和颗粒转动以及侧向应力作用,通过颗粒破碎体内部颗粒之间的接触破碎来模拟颗粒体的破碎。计算结果表明:本文所提出的微观力学模型可以模拟胶结在一起的大颗粒的破碎过程;颗粒之间的微观力学参数对颗粒破碎过程中的力、塑性滑移、颗粒的转动角有不同程度的影响;力-位移关系曲线在破碎前是线性的,而颗粒破碎时竖向力迅速降低到较小值,并伴有颗粒的转动。