冻融风化对岩石力学性能和油气储集条件的影响作用研究

发布时间:2020-10-27 15:12
   寒区长期冻融风化作用对岩石力学性能的影响是岩石力学和工程地质研究的前沿问题,同时冻融风化作用产生的裂隙(裂缝)对含油气盆地油气地质条件具有重要的影响,然而对于冻融风化后岩石力学性能、裂隙演化及其对油气储集的影响还处于探索阶段,是国际石油地质和工程地质研究的前沿问题。针对上述问题,论文通过系统试验与模拟,在探讨冻融风化对岩石力学性质、裂隙发育机制基础上,结合高寒冻土区羌塘典型含油气盆地分析,探讨冻融裂隙对天然气水合物储集条件的影响和控制作用。论文通过冻融试验、无损检测、冲击压缩试验、数值模拟、本构方程建立、岩芯观察等方法总结归纳,取得了以下主要认识:(1)通过对冻融风化成因以及冻融损伤细观研究,提出岩石的冻融风化是由岩性、水饱和度、冻融循环次数、周期和温度等综合因素耦合的复杂劣化过程;其宏观表现为孔隙和微裂隙的发育,并建立了冻融循环与裂隙发育的关系。(2)通过对冻融损伤岩石试件的力学试验,认为冻融风化作用对岩石抗压强度具有明显弱化效应;应变率和围压对抗压强度具有明显强化效应。(3)通过对冻融循环后岩石冲击压缩试验的数值模拟,得出单轴冲击压缩试件轴心受压、轴向压缩的同时径向膨胀,其拉伸应变达到极限而出现劈裂破坏;进而提出围压作用可抑制或暂缓试件的破碎、并能有效提高岩石抗压强度。(4)依据岩石的损伤演化理论,结合试验研究和数值分析的成果建立了统计损伤演化方程;并基于元件模型的思想,构建出一套包括单轴和有围压存在的考虑冻融损伤因素的粘弹塑性动态本构模型。通过改进的差分进化和梯度下降法对建立的动态本构方程进行参数识别运算,反演分析确定特征参数,并通过试验数据验证了该模型的准确性。(5)通过冻融试验和裂隙发育演化研究,结合羌塘盆地钻井岩芯裂隙和渗透率、孔隙度分析,识别出4类与冻融作用有关的裂隙,初步得出了各类裂隙的识别标志和识别方法,提出冻融风化作用产生的裂隙对盆地储集物性具有显著的影响,盆地在310-350m岩石渗透率和孔隙度的快速增加主要受冻融作用产生的裂隙控制,并且在盆地具有普遍性。
【学位单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位年份】:2020
【中图分类】:P618.13
【部分图文】:

季节性冻土,冻土


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标准试件,动力学,试件


?第二章岩石的力学性能测试技术???采用双面打磨机进行精细加工,保证平行度误差小于〇.〇5mm,试件高度、直径??的误差不大于〇.3mm,端面垂直于试件轴线的最大偏差不超过0.25°,如图2-1。??本试验根据工况需求,静力试验每个工况重复两次,分别加工花岗岩和砂岩试件??各36个,共计72个。动力试验每个工况重复三次,分别加工两种岩石各162??个,共计324个。??.。:T?1T??:f?:■?f?慧??![譯J??4?Siam?48mm??(a)花岗岩?(b)砂岩??(a)?Granite?(b)?sandstone??图2-1静、动力学试验标准试件??Figure?2-1?Standard?specimen?for?static?and?dynamic?tests??饱水试件的制备时,把选好的干燥试件放入抽真空干燥皿(图2-2)中,用??凡士林对抽真空干燥皿进行密封,以O.IMPa压力抽取容器中的空气2h,然后将??试件在蒸馏水中持续抽气4h至表面无气泡溢出,再浸泡24h以上至饱和。??20??

真空,冻融循环


?中国地质大学(北京)博士学位论文???Q??,雇警??图2-2真空皿??Figure?2-2?Vacuum?vessel??2.3冻融循环试验技术??我国作为世界上寒区面积覆盖最广的国家之一,冻融风化作用给寒区工程带??来诸多困难。冻融风化损伤是指有水存在的岩和土受昼夜温差及季节交替在零摄??氏度上下变化而对原结构造成的风化损伤。其主要危害是对建筑地基、隧道、路??基、地下输油管道、地下储油库以及其它地下工程等存在冻融腐蚀、冻胀开裂等??损伤软化作用引起的安全隐患。对于冻融循环试验,最主要的三个指标是冻融温??度、冻融时长、冻融循环(FT)次数,不同的指标会产生不同的试验结果。经??过国内外学者长期大量的试验,对冻融循环试验条件归纳如表2-2:??表2-2冻融循环试验方案归纳总结(引自申艳军,2016)??Table?2-2?Summary?of?freeze-thaw?cycle?test?scheme?(quote?from?申艳军,2016)??冻结?冻结?融化?融化??FT??岩性?温度?时间?温度?时间?参考文献??(次)??(°C)?(h)?(°C)?(h)??杨更社和蒲毅彬,??砂岩、页岩、煤?-20?12?20?12?20??2002??花岗岩?-36.5?4?20?4?20?刘成禹等,2005??红砂岩、页岩?-20?12?20?12?30?徐光苗和刘权声,??21??
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