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文檔簡介
1、巖石孔隙(kngx)結(jié)構(gòu)特征及對其力學(xué)性能的影響共五十一頁1.意義(yy)巖石是一種天然的多孔材料,其內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙,這些孔隙直接影響著巖石的宏觀物理、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì),如強度、彈性模量、滲透性、電導(dǎo)率、波速、顆粒吸附力、巖石儲層產(chǎn)能等。探明孔隙結(jié)構(gòu)(jigu)與巖石宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系,對于解決石油、地質(zhì)、采礦、冶金、土木和水利工程中的實際問題具有十分重要的意義。-巖石力學(xué)與工程學(xué)報第28卷第10期孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對巖石力學(xué)性能的影響實際問題:準(zhǔn)確地預(yù)測工程巖體的變形與穩(wěn)定性、保證正確的工程設(shè)計和良好的施工質(zhì)量共五十一頁2.流程(lichng)瀏覽課本,理解課題
2、討論(toln)含義,明確分工大體匯總,討論修改 分頭行動,具體實施最后確定,總結(jié)經(jīng)驗 共五十一頁3.對象(duxing)含煤巖系(coal-bearing strata),一套含有煤層或煤線的沉積巖系。組成含煤巖系的沉積巖大都呈灰、灰綠、灰黑和黑色,主要是各種粒度的砂巖、粉砂巖、泥巖、灰質(zhì)(huzh)泥巖和煤組成,礫巖、粘土巖、石灰?guī)r,鋁質(zhì)巖、油頁巖、硅質(zhì)巖和火成碎屑巖等也常出現(xiàn)在含煤巖系中。-百度百科共五十一頁巖石(ynsh)中的空隙 一 引言 1. 巖石空隙在地球(dqi)上的分布:地殼表層十余公里,尤其近一、兩公里以內(nèi)。 2. 巖石空隙的描述:形狀、大小、多少、分布規(guī)律和連通性。 3.
3、 巖石空隙的地質(zhì)分類:松散巖石中的孔隙、堅硬巖石中的裂隙、可溶巖石中的溶穴。共五十一頁共五十一頁共五十一頁共五十一頁二、孔隙1. 概念:存在于松散的或未完全(wnqun)膠結(jié)的巖石顆粒之間或顆粒集合體之間的空隙。 2. 分布:最新沉積、新生界、主要在第四系沉積層中的碎石土、砂土、粘土等,其次是膠結(jié)不完全的第三系或中生界部分地層。 3. 特征:共五十一頁 度量指標(biāo):孔隙度(n) (1)概念:某一體積巖石(包括孔隙在內(nèi))中孔隙體積所占的比例。 (2)研究意義(作用):影響巖石儲容地下水的能力的大小。 (3)測定方法: 砂、礫等松散巖石一般用注水方法,粘土遇水膨脹(png zhng)不能; 容重-比
4、重法:細(xì)砂,先測巖石的容重r、比重 共五十一頁共五十一頁共五十一頁共五十一頁三、裂隙 1. 概念:堅硬巖石形成以后,由于各種內(nèi)外營力的作用,使巖石遭到破壞而形成的空隙。 2. 分布:主要分布在堅硬巖層:除沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖等保留原生成巖孔隙外,主要是在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生后生裂隙。 3. 分類:按成因分:成巖裂隙 巖漿作用:侵入、噴出、冷凝收縮(巖漿巖) 沉積作用:固結(jié)、干縮 (沉積巖)。 巖漿巖最普遍(pbin),玄武巖(基性)柱狀節(jié)理最有水文地質(zhì)意義。 風(fēng)化裂隙:后期風(fēng)化作用形成的各種裂隙; 構(gòu)造裂隙:后期的構(gòu)造應(yīng)力作用形成的各種裂隙;共五十一頁特征 大?。壕哂屑壌涡裕?,大構(gòu)造斷裂
5、帶,次級造斷裂帶,再次一級造斷裂帶,小到用顯微鏡進行微觀裂隙觀測。 連通性:總體上不好(b ho),局部可能很好,形成裂隙系統(tǒng)。找水,局部裂隙,最好找在最大斷裂帶上,主干斷裂, 裂隙含水系統(tǒng)。 多少:裂隙率。包括線裂隙率、面裂隙率和體裂隙率。在野外研究裂隙時,測定裂隙的方向、寬度、延伸長度、充填等。共五十一頁表2-2 各種巖石裂隙率數(shù)值(shz)表(變化范圍)共五十一頁四、溶穴或巖溶1. 概念:具有可溶巖石裂隙,在地下水流作用下形成。 2. 分布:可溶巖的沉積巖,如常見的灰?guī)r,白云巖。 3. 種類:溶孔(石灰?guī)r的微空隙)、溶蝕裂隙、溶洞、地下暗河(n h)等。 特征:共五十一頁形狀:有方向性,
6、主要在裂隙基礎(chǔ)上進一步溶蝕而成,所以具有裂隙特征。 大?。撼叽鐦O不均勻,暗河(n h),主干溶蝕形成。 多少:巖溶率分布:極不均勻(保留了原有裂隙特征) 連通性:總體上差,局部可以很好,形成溶穴含水系統(tǒng)。共五十一頁五、自然界巖石(ynsh)空隙的復(fù)雜性 發(fā)育狀況復(fù)雜: 粘性土層既有孔隙也有裂隙,按水井講,粘土-隔水層,若粘土中有存在干縮裂隙可以為含水層,如河南駐馬店粘土層,可以為含水層(取的是裂隙中的水)。 堅硬巖石:既有孔隙,又有裂隙,如甘肅白堊系巖石。 可溶巖里保留原來的裂隙,甚至有孔隙存在。 共五十一頁 評價(pngji)巖石孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)共五十一頁 1)反應(yīng)孔隙(kngx)大小的參數(shù)孔
7、隙喉道半徑及孔隙喉道大小分布 孔隙喉道半徑(簡稱孔喉半徑)是以能夠通過孔隙喉道的最大球體半徑來衡量的,單位是微米(m)??缀戆霃降拇笮∈芸紫督Y(jié)構(gòu)影響極大。若孔喉半徑大,孔隙空間的連通性好,液體在孔隙系統(tǒng)中的滲流能力就強。地層中液體流動條件取決于孔隙喉道的結(jié)構(gòu),孔喉數(shù)量、半徑大小、截面形狀、液體與巖心的接觸面大小等都將起一定的作用;最大孔隙喉道半徑Rd及排驅(qū)壓力Pd 排驅(qū)壓力Pd是指非潤濕相(汞)開始進入巖樣所需要的最低壓力,它是汞開始進入巖樣最大連通孔喉而形成連續(xù)流所需的啟動壓力,也成為(chngwi)閾壓或門檻壓力。在排驅(qū)壓力下汞能進入的孔隙喉道半徑即巖樣中最大孔隙喉道半徑Rd;共五十一頁毛
8、管壓力中值 孔隙喉道平均值和孔隙喉道半徑(bnjng)中值主要流動孔喉半徑平均值難流動孔喉半徑共五十一頁2)反映孔喉分選特征(tzhng)的參數(shù)孔隙喉道分選系數(shù)(xsh);孔隙喉道歪度;孔隙喉道峰態(tài);孔隙喉道分布峰數(shù)峰值峰位;均值系數(shù)。共五十一頁3)孔喉連通性、控制(kngzh)流體運動特征的參數(shù)退汞效率;孔隙喉道比;孔喉配位數(shù);孔隙曲折(qzh)度;最小非飽和孔喉體積百分?jǐn)?shù);孔隙結(jié)構(gòu)綜合評價系數(shù);視孔喉體積比;結(jié)構(gòu)均勻度。共五十一頁孔隙率(Porosity),指散粒狀材料(cilio)表觀體積中,材料(cilio)內(nèi)部的孔隙占總體積的比例??紫堵拾ㄕ婵紫堵?,閉空隙率和先空隙率。孔徑分布(p
9、ore size distribution)是指材料中存在的各級孔徑按數(shù)量或體積計算的百分率。共五十一頁巴西圓盤(yun pn)劈裂試驗 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對巖石(ynsh)力學(xué)性能的 影響 共五十一頁孔隙率對圓盤劈裂破壞方式有 很大的影響。當(dāng)孔隙率為 3%7%時,在加載初期, 加載兩端出現(xiàn)了 12 條主裂紋,隨著荷載的增加兩 端的主裂紋逐漸向圓盤中間(zhngjin)擴張。當(dāng)達到峰值荷載, 即圓盤發(fā)生破裂時,兩端的主裂紋在圓盤中心匯合, 終形成 12 條平行于加載方向、近似為直線的主 裂紋貫穿整個圓盤,圓盤主要以拉伸破壞為主;1.孔隙率對圓盤(yun pn)模型力學(xué)性能的影響共五十一頁 孔隙率增大
10、到 15%23%時,在加載初期,加載兩 端和圓盤中間孔隙密集的地方同時出現(xiàn)了眾多(zhngdu)的細(xì) 小裂紋。隨著荷載的增加,加載兩端的細(xì)小裂紋并 沒有沿著加載方向向圓盤中心匯合,而是朝著孔隙 密集的地方蔓延,同時圓盤中間的裂紋也繼續(xù)擴張共五十一頁保持孔徑分布、空間位置分布 函數(shù)不變,隨著(su zhe)孔隙率的增加,圓盤的抗拉強度隨 著降低,給出了不同孔隙率模型的抗拉強度變化曲 線。不同孔隙率圓盤的抗拉強度曲線呈現(xiàn)一種指數(shù)遞減的趨勢2.孔隙率對圓盤模型(mxng)抗拉強度的影響共五十一頁對于孔隙率為 23%的模型,改變孔 徑分布的控制參數(shù)對圓盤破壞行為有較為明顯的影 響。在加載初期即峰值荷載
11、的 5%30%時,加載兩 端出現(xiàn)(chxin)了多條細(xì)小的裂紋,大都集中在孔隙密集的地方,沒有明顯的主裂紋,3.孔徑分布對圓盤(yun pn)力學(xué)性能的影響共五十一頁隨著孔徑控制參數(shù)的減 小,這種現(xiàn)象尤為明顯。隨著荷載的增加,到了峰 值荷載的 50%70%,眾多細(xì)小(xxio)裂紋朝著孔隙密集 的地方逐漸向圓盤中心延伸,同時在圓盤的中心也 出現(xiàn)了許多細(xì)小(xxio)裂紋。隨著孔徑控制參數(shù)的減小, 細(xì)小裂紋的數(shù)目也增多,到達破壞時,兩端的細(xì)小 裂紋向圓盤內(nèi)部延伸,圓盤中心的裂紋向外擴展, 終這些細(xì)小裂紋匯合,連通,貫穿整個圓盤,形 成以眾多細(xì)小裂紋為主的破壞狀態(tài)共五十一頁當(dāng)孔隙率 v 7%時,孔
12、徑控制參數(shù)的改 變對圓盤模型的抗拉強度有較為明顯的影響,而當(dāng) 孔隙率大于等于 15%時,孔徑控制參數(shù)對圓盤模型抗拉強度的影響基本可以(ky)忽略,4.孔徑分布對圓盤模型(mxng)抗拉強度的影響共五十一頁當(dāng)孔隙率較大時,由于孔隙數(shù)目較多,孔徑(kngjng) 分布控制參數(shù)的改變對孔隙總數(shù)量以及不同孔徑(kngjng)數(shù) 量的比例影響不大,所以對圓盤抗拉強度的影響也 不大;但當(dāng)孔隙率較小時,孔徑控制參數(shù)的改變對 不同孔徑的孔隙數(shù)量有較大的影響,因而抗拉強度 變化較大。共五十一頁保持孔隙率和孔徑分布特征不 變,改變孔隙位置,對于圓盤破壞的影響主要體現(xiàn) 在裂紋產(chǎn)生的位置上,改變孔隙位置并沒有影響圓
13、盤的破裂方式和裂紋的數(shù)目,從加載開始經(jīng)過加載 中期直到圓盤破壞,圓盤模型都是從表面開始破裂, 然后向圓盤中心和內(nèi)部(nib)延伸,形成從表面向內(nèi)部(nib)發(fā) 展的破裂方式。5.孔隙空間位置(wi zhi)對圓盤力學(xué)性能的影響共五十一頁對于低孔隙率,例如 3%7%,在 圓盤縱剖面上都存在著對稱破壞區(qū),破壞時形成(xngchng)一 到 2 條主裂紋,破壞主要以拉伸破壞為主;對于高 孔隙率例如 15%23%,破壞裂紋都聚集在孔隙密 集的地方,并出現(xiàn)多條細(xì)小裂紋,而沒有明顯的主 裂紋,破壞時出現(xiàn)了剪切和拉伸破壞共同作用的現(xiàn) 象。共五十一頁6.孔隙位置對圓盤模型抗拉強度(kn l qin d)的影響
14、當(dāng)孔隙率為 3%時,3 種不同孔 隙位置的圓盤(yun pn)模型的抗拉強度分別為 1.06,1.11 及 1.06 MPa;當(dāng)孔隙率 v =7%時,抗拉強度分別為 0.94,0.92 和 0.98 MPa;當(dāng)孔隙率 v =15%時,抗 拉強度分別為 0.71,0.73 及 0.71 MPa;共五十一頁當(dāng)孔隙率v =23%時,抗拉強度分別(fnbi)為 0.55,0.52 和 0.54 MPa,計算結(jié)果表明,在保持孔隙率不變和孔徑分 布特征(初始控制參數(shù) S0)的條件下,改變孔隙位置 對圓盤模型抗拉強度的影響較小。共五十一頁 結(jié)論(jiln)1.孔隙率嚴(yán)重地影響孔隙圓盤模型的破壞狀 態(tài)、應(yīng)力分
15、布以及抗拉強度。當(dāng)孔隙率較低時,圓 盤模型達到破壞時形成一條平行于加載方向近似直 線的主裂紋,并貫通(guntng)圓盤,以拉伸破壞為主;隨著 孔隙率增大,達到破壞時,形成多條細(xì)小破壞裂紋, 而沒有了明顯的主裂紋,并出現(xiàn)了拉伸破壞和剪切 破壞共同作用。隨著孔隙率的增大,圓盤模型的抗 拉強度呈現(xiàn)指數(shù)遞減的趨勢,共五十一頁2.孔徑分布對圓盤模型破壞狀態(tài)的影響主要 體現(xiàn)(txin)在:隨著孔徑控制參數(shù)的減小,某些大孔逐漸 消失,被孔徑較為均一的小孔所代替,導(dǎo)致破壞裂 紋數(shù)的增多,即在每一個相同的加載階段,孔徑 控制參數(shù)的減小導(dǎo)致破壞區(qū)域更大,更加分散。 孔徑分布控制參數(shù)的改變對圓盤模型抗拉強度有 一
16、定的影響,但隨著孔隙率的增大,這種影響明顯 降低共五十一頁3.保持孔隙(kngx)率和孔徑分布特征不變,改變孔 隙空間位置,對于圓盤破壞的影響主要體現(xiàn)在裂紋 產(chǎn)生的位置上,并沒有影響圓盤的破裂方式和裂紋 的數(shù)目??紫?kngx)空間位置的隨機變化對孔隙(kngx)介質(zhì)的抗 拉強度沒有顯著的影響。 數(shù)據(jù)來源: 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 第 28 卷 第 10 期共五十一頁孔隙(kngx)結(jié)構(gòu)研究方法共五十一頁室內(nèi)研究(ynji)方法井下研究(ynji)方法鑄體薄片分析掃描圖像分析毛管壓力分析電阻率測井資料核磁共振測井共五十一頁鑄體薄片(bo pin)分析法該法是將染色樹脂注入(zh r)到被洗凈和抽空
17、的巖心孔隙內(nèi),待樹脂凝固后,再將巖心切片放在顯微鏡下觀察。鑄體薄片中帶色的樹脂部分就是代表巖石二維空間的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài)。共五十一頁CT掃描(somio)圖像分析法該法是通過發(fā)射X射線對巖心作旋轉(zhuǎn)掃描,在每個位置可采集到一組一維的投影數(shù)據(jù),再結(jié)合旋轉(zhuǎn)運動,就可得到許多方向上的投影數(shù)據(jù);綜合這些投影數(shù)據(jù),經(jīng)過迭代(di di)運算就可以得到X射線衰減系數(shù)的斷面分布圖。共五十一頁毛管壓力(yl)分析巖石的毛管壓力曲線:儲層巖石的毛管壓力和濕相飽和度關(guān)系(gun x)曲線。它是研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征最重要的資料。右圖為一臺毛管壓力分析曲線測定儀共五十一頁用電阻率測井資料研究(ynji)巖石孔隙結(jié)構(gòu)該法是建
18、立在巖石導(dǎo)電物理模型和阿奇爾公式的基礎(chǔ)上,利用(lyng)測井資料求取巖石孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)S巖石孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)S是綜合反映儲層孔隙孔道的曲折程度及其大小的。如果孔隙孔道越大越平直,S值越大,說明儲層條件越好;反之孔隙孔道越小,越曲折,儲層條件越差。共五十一頁核磁共振測井研究巖石(ynsh)孔隙結(jié)構(gòu)核磁共振測井是通過研究地層中的孔隙流體(lit)的原子核磁性及其在外加核磁作用下的震動特性,來研究各種流體孔隙度,進而評價巖石的孔隙結(jié)構(gòu)。共五十一頁4.不足(bz)對于巖石的研究充滿著個性的因素,不能代表整體,更不能代表實際。因為巖石的礦物成分是不均勻的,空隙的分布位置和大小更是千差萬別,直接導(dǎo)致了力學(xué)性質(zhì)的改變。尋找(xnzho)更具普遍代表性的研究方法或者是利用計算機更高精度的模擬真實狀況應(yīng)該將來的主要問題。-個人觀點共五十一頁5.反思(fn s)主要還是找資料,看資料,拼資料的老路子,沒有個人觀點,甚至沒有個人的疑問。這里面固然有時間緊迫,專業(yè)知識少的客觀原因,但缺乏的敢于(gny)質(zhì)疑的精神和樂于思考的內(nèi)容才是最重要的。在以后的學(xué)習(xí)中,也應(yīng)該多想問題多思考。共五十一頁謝謝(xi xie)!共五十一頁內(nèi)容摘要巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征及對其力學(xué)性能的
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