压缩荷载下泥岩损伤演化及分维特性研究

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在油气地质领域,与泥页岩性质有关的研究越来越受到重视。作为最主要的盖层,泥岩在漫长的地质年代中经历了多次地质构造运动,赋存在一定的应力环境中,其内部孕育了从微观到细观以及到宏观的各种尺度的缺陷。泥岩本身所具有的物理化学性质,导致了其特有的裂缝发育、扩展和演化模式。鄂西渝东地区志留系、侏罗系具有典型的泥岩沉积,裂缝不均匀发育,既是常规油气的重要盖层,也是泥页岩油气的主要层位之一。因此,我们选择这一地区采集样品,进行室内加工制作,结合现场地质条件,进行常规力学实验、泥岩单轴、三轴压缩-声发射实验、单轴压缩CT试验等研究,获得岩石材料不同应力状态下岩石裂纹的活动特征;引入损伤变量和分维数等进行裂纹演化和分布的定量分析,最后结合数值模拟与实验结论进行讨论分析。  文章首先针对单、三轴压缩-声发射试验结果进行了分析,揭示了单轴压缩过程中裂纹发展演化的过程,建立了单轴压缩泥岩损伤模型,揭示了体积应变和声发射事件累积计数与岩石裂纹产生、扩展、演化的关系,对体应变和声发射曲线的特征变化进行了解释。  然后进行了不同组别试样单轴压缩全过程CT监测试验,研究发现:(1)不同加载水平下CT图像灰度频率直方图曲线可以反映出岩石各部位密度变化,从而可以识别裂纹活动的不同阶段及相应特征;(2)裂纹面积可以作为损伤变量来反映裂纹在压缩破坏过程中的演化;(3)荷载水平40%-65%区间为岩石裂纹的萌生效应和压缩闭合效应的共生阶段,且两者效应大致相抵,此时对应岩石的稳定承压阶段;(4)60-65%的荷载水平是一个特殊阶段,对应于岩石裂纹的急剧扩展,进一步证实裂纹扩展阶段具有突发性和瞬态性。  引入分形几何学的研究理念,针对CT图像二值图裂纹形态进行分维研究。通过分维数的变化对裂纹的形态分布进行定量描述,同时将分维数与应力应变曲线对应,分析了裂纹空间扩展的特点。  最后,作者应用MIMICS软件针对CT图像进行三维重建,得到了裂纹在空间的分布特征;同时利用RFPA3D软件进行不同温压条件下的单、三轴压缩-声发射数值模拟实验,较好地反应了真实加载过程中裂纹扩展规律,与前期试验结果对比分析,验证了文章的观点。
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