Lode角对砂岩强度和声发射特性影响规律研究

发布时间：2020-03-18 16:05

【摘要】：岩石的强度和破坏规律是决定地下空间围岩稳定性、油气资源开采方式(储层岩石致裂方式)的关键因素。由于构造作用,绝大多数深部岩石处于真三轴应力状态(σ_1≥σ_2≥σ_3)。因此,进行真三轴应力条件下岩石力学试验具有重要的现实意义。本文以重庆茶园白砂岩为试验对象,进行了不同静水压力、不同Lode角的砂岩强度试验,讨论了不同静水压力条件下中间主应力效应对岩石强度的影响规律;同时,利用自主研制的适用于真三轴仪器的声发射压头,初步研究了相同静水压力条件下不同Lode角对砂岩破坏声发射特性的影响。获得的主要成果如下:(1)自主开发了适用于多功能流固耦合真三轴试验系统且能进行声发射监测的新型压头。采用在真三轴普通压头内嵌入声发射模块的方式,实现了真三轴试验过程中声发射信号的同步采集;提高了采集信噪比和试验数据的精度,并初步实现了3D声源定位。试验结果证明,该新型压头可靠、有效。(2)利用多功能真三轴流固耦合试验系统,进行了不同静水压力、不同Lode角条件下的均质砂岩强度试验,并利用本文定义的衰减系数对实验结果进行了分析。分析结果表明,岩石的Lode角效应随着Lode角的增大不断减弱,静水压力效应也随着静水压力的增大不断减弱,同时Lode角效应会随着静水压力的增大而受到抑制作用。通过分析实验结果,把中间主应力效应看作Lode角效应和静水压力效应的综合体现,不仅能够规避两种效应的重叠部分,也能够合理解释岩石强度随中间主应力的增加先增加后减小的现象。(3)进行了相同静水压力(100 MPa)、不同中间主应力条件下砂岩破坏的声发射信号特征试验。通过对比声发射事件率曲线可说明:相同静水压力、不同Lode角条件下砂岩的损伤破坏形式是有差异的。由于侧向应力约束不同,砂岩试件在损伤相对严重的情况下仍有保持更高强度、更高承载能力的可能性,这与不同Lode角条件引起砂岩损伤的位置、损伤方式、裂纹成核和贯通程度密切相关。通过对累计计数(Cumulative counts)和能率(Energy rate)的对比,初步了解了不同Lode角条件引起砂岩损伤的差异性、失稳破坏前的临界点状态以及破坏时能量释放的冲击性(致灾倾向性)。通过对比Lode角条件下砂岩破坏的3D声源定位和破坏后砂岩CT扫描形貌图,提出了提高定位精度和可靠性的几种主要方式。(4)基于IB值及RA-AF值理论,提出了一种基于声发射技术的裂纹动态演化监测(或检测)图谱。该图谱摒弃了传统方法中拘泥于对裂纹进行模糊条件的分类定量的方法,着重于对裂纹大小和类型进行动态的倾向性评价。并利用声发射能量获得了真三轴条件下砂岩的雪崩破坏规律:余震的频率受Lode角影响小,但较为显著的受到了主震能量区间的影响,并且主震与其最大余震的能量常用对数比近似为1。
【图文】：

真三轴试验

体试验采用重庆大学多功能流固耦合真三轴试验系统进行部地下空间中岩石所处的三向主应力不等状态，为揭示真合物理过程中岩体的力学特征和渗透率变化规律、“加卸机理以及储层岩石的压裂破坏机制提供了良好的设备基础压力腔、伺服液压系统、控制台、数据采集系统组成。系统可进行单轴、侧压双轴、常规三轴及真三轴应力状态试验，并在两个方向提供 6000 kN，一向 4000 kN 的最大载压，可提供最大 60 MPa 流体压力。设计有 3 种加卸载控制追踪位移 Trace-D、追踪位移修正 Trace-Df），可保证多轴。特殊设计的内密封渗流系统配合伺服增压系统，实现了的自由渗流控制与监测，，为了尽可能减小端部摩擦效应，和一向柔性（刚性）的加载方式。该试验系统为研究真三岩土工程稳定性、油气资源高效开采提供更多的可能性。

压头,声发射,细节,声发射传感器

9(c) internal structure图 2.2 声发射压头细节图Fig.2.2 Details of the TTAE表 2.1 声发射传感器基本参数Table 2.1 Parameters of AE sensoreter Height Material Frequency range Pressure range Temperature 4 mm ceramics 100 ─ 900 kHZ 0 ─ 60 MPa -20 ─ 15
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE31

【参考文献】