在储气砂岩的力学性能试验研究水的内容

文摘

为了研究含水量对呼砂岩的破坏和退化特征,不同饱和度的实验和实验室机械实验呼砂岩。实验结果表明,在单轴和三轴条件下,随着水含量的增加,轴向,横向,和体积变形逐渐增加,显示明显的膨胀变形特征。砂岩的偏应力和弹性模量下降指数与含水量增加。围压对改善砂岩强度有显著的影响下不断的含水量。基于对数正态分布,砂岩的损伤本构模型可以反映单轴和三轴条件提出了不同含水量。理论曲线与实验曲线比较,和发现的理论曲线和实验曲线有相似的变化趋势。它显示了统计损伤本构模型的合理性。

1。介绍

岩石力学性能的演变规律是地下气体贮藏的重要指导意义。众所周知,岩石力学性能的演变规律不仅是组成材料的影响和内部原始裂缝(1]。也受到环境因素的影响,和含水量的影响尤为突出。降解水对岩石的影响导致许多岩石工程灾害。所以,这具有重要意义探索水在岩石上的降解机制。

含水量对岩石力学性质的影响进行了广泛的研究。这些是主要关心的影响不同饱和条件下岩石的性质。Vasarhelyi和范2]研究水分对岩石强度的影响趋势,发现砂岩的水敏感性很大程度上取决于岩石的有效孔隙度。霍金斯和麦康奈尔(3]研究砂岩强度和含水量的演变,发现大多数砂岩的强度损失发生在低含水量的条件。德拉·罗伊et al。4]调查三个砂岩的力学参数的影响饱和时间和发现相关的岩石力学参数与饱和度的增加减少。刘等人。5)描述砂岩浸泡时间之间的变化和水分布方程,建立了单轴抗压强度和水分布之间的关系。福等人利用核磁共振技术,可视化和量化渗透路径和水砂岩的分布。此外,水砂岩的力学性能的影响也评估(6]。

在室内试验的基础上,岩石的损伤理论迅速发展。Rafiei Renani和马丁(7]在花岗岩和石灰石进行实验室机械实验,并根据实验结果,提出了一种非线性本构模型来表达凝聚力之间的关系和内部摩擦。Kachanov et al。8]提出了连续性的概念(φ)来反映岩石的变质机理。结合大量的室内单轴压缩测试的结果和损伤力学理论,岩石破坏水弱作用下的本构模型建立(9]。基于三维数值模拟方法和损伤理论,各种各样的模型来描述岩石破裂和损伤的演化建立了(10- - - - - -12]。wet-dry周期下的能量耗散能反映岩石破坏的能量机制,和岩石的内部结构产生不可逆转的损害的作用下wet-dry周期(13]。

在过去的几年中,许多研究人员进行了不同在不同类型的岩石饱和实验,探索水弱化的影响的差异在不同的岩石类型。这些是主要关心的物理力学参数的演变规律,取得了一些成就。然而,研究水对岩石损伤弱化的影响在不同的负载下仍然是有限的。基于呼的砂岩储气库的独特性,有必要研究力学性能的演变与不同含水量,寻找一个合适的损伤本构模型。摘要呼储气库的围岩进行了单轴和三轴压缩试验,分析了含水量对其力学性能的影响。最后,岩石损伤模型基础上,建立了水弱化效应的实验数据进行验证。

2。实验程序

一系列关于砂岩的单轴和三轴测试样品与不同含水量在实验室中进行。以下部分描述详细的实验过程。

2.1。岩石样品制备

测试的原始砂岩标本来自地下深层气井的呼储气库是一种沉积岩,以及标本约3585米的深度。自然岩石的平均单位质量约为2260公斤/米³。所有标本都打磨成标准圆柱形样本根据ISRM [14]。

2.2。水含量测定

根据Siegesmund和Snethlage[方法建议15),标本检测含水量每次浸泡后治疗。样品制备的主要步骤与不同水内容如下:(1)岩石标本放入干燥箱干燥48小时,并取出称重;(2)然后,标本的容器放入饱和含水量治疗在自然状态下;和(3)岩石标本是在特定的间隔,及其饱和度计算。当试样达到指定的含水量,有人把它拿出来进行测试。

2.3。试验装置和程序

如图1,所有的测试都进行tfd - 2000电液伺服岩石三轴试验机。电液伺服岩石压力系统的特点是,整个过程计算机控制和数据自动收集。同时确保数据的准确性,这也使得操作更加容易。轴向压力加载由伺服油源,控制,控制系统会自动纠正与目标值的偏差,直到它到达。最大轴向压力可以达到2000 kN,误差控制在10 N。围压加载的填充与液压油的压力室。通过伺服电机控制,围压的最大可以达到100 MPa,误差控制在0.01 MPa。试验机的功能和精度可以支持本研究的顺利进行。

这个研究包括了两个系列的测试过程的测试:(1)常规三轴压缩试验的加载执行按照规定的操作程序,直到样品坏了,(2)的单轴和三轴压缩试验标本不同含水量。标本的物理参数和实验条件如表所示1。

3所示。结果和分析

3.1。测试结果的储气砂岩具有不同的含水量

3.1.1。应力应变分析砂岩单轴压缩条件下不同含水量

图2显示了砂岩的应力-应变曲线具有不同含水量下的单轴压缩。它可以很容易地获得单轴抗压强度逐渐随含水量的增加而减小。从干燥状态含水量的2.31%和3.09%,岩石的单轴抗压强度标本减少了22.42%和29.89%,分别。它可以同时获得,通常有四个阶段在砂岩的压缩过程,即微裂隙的压实阶段,弹性变形阶段,塑性屈服变形阶段,和偏应力后的破坏阶段,如图3。从图可以看出2几乎没有区别的微裂纹压实阶段,表明含水量较低的相对论在这个阶段岩石标本。然而,在弹性变形阶段,应力-应变曲线的斜率随含水量的增加显著。这表明砂岩的弹性模量有明显减弱的趋势。

3.1.2。分析砂岩三轴压缩条件下不同含水量

图4显示的总应力-应变曲线呼砂岩三轴压缩下不同含水量。从图可以看出4呼砂岩的三轴抗压强度随含水量的增加,和偏应力的2.31%含水量高于14.65%,含水量在3.09%。类似地,如果我们把三轴压缩的实验曲线分为三个阶段的弹性变形阶段,塑性屈服变形阶段,postpeak强度阶段,它可以获得的实验曲线标本不同含水率和压实阶段,弹性阶段基本一致。进入弹性阶段后,含水量显著削弱对弹性模量的影响。主裂缝岩石的处理水,这是砂岩的软化的主要原因。在屈服阶段,含水量较高的标本可以导致屈服阶段。在postpeak强度阶段,试样的强度会下降慢得多,试样的破坏逐渐呈现塑料故障特征在高含水量的条件。

3.1.3。砂岩应力应变分析常在三轴压缩条件下含水量

在本节中,常数的三轴抗压测试含水量(2.31%)进行了比较分析与不同的含水量。在图5砂岩的实验曲线,显示了不同围压下的2.31%。结果表明,砂岩的偏应力20 MPa, 30 MPa, 45 MPa是增长了75.14%,151.44%,和233.74%,分别比围10 MPa的压力。结果表明,围压显著改善了砂岩的承载力。同样,砂岩的实验曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。在加载的初始阶段,标本直接进入线弹性阶段,和增加的应力随着应变的增加表现出明显的弹性特性的斜率线性弹性阶段逐渐下降。砂岩的antidestructive能力提高了围压的增加,这是表现在标本需要更高的压力屈服于失败,失败形式逐渐改变塑料。最后,标本是破碎的,曲线呈下降趋势。

3.2。分析储气砂岩力学性能不同的含水量

3.2.1之上。机械性能的砂岩三轴条件

如图6在不同围压下,砂岩与2.31%含水量仍遵循法律的偏应力随围压增加。偏应力与围压显示指数增长关系,偏应力的增长趋势逐渐减少,和围压效应逐渐减少。的偏应力、轴向应变和横向应变的标本都积极与围压有关。

表2显示了砂岩的强度和机械指数在三轴条件下的水分含量为2.31%。图7介绍了下的弹性模量的变化趋势改变围压状态。发现弹性模量、变形模量、峰值应变的砂岩与围压呈正相关。当围压清廉MPa,提高利率的弹性模量、变形模量、应变峰值的2.37倍,2.34倍和1.26倍,分别。从10 MPa的围压45 MPa,弹性模量、变形模量、峰值应变增加60.4%,72.1%,和84.8%,分别。

3.2.2。分析砂岩的力学性能不同的含水量

图8介绍了弹性模量和含水量之间的关系e在单轴和三轴条件下。砂岩的弹性模量是根据弹性阶段的应力-应变曲线的斜率(16]。如图8快,弹性模量减小,当含水量很低,慢慢减少含水量高时,显示一个指数的关系。在单轴条件下,发现干试样的弹性模量是2.83 GPa,试样的弹性模量和含水量1.54% 2.61 GPa,弹性模量降低了50.66%左右,和砂岩试样的弹性模量降低了2.03%和3.09%的含水量为73.24%和75.99%,分别。与干燥的条件相比,砂岩样品的弹性模量与含水量为1.54%,2.03%,和3.09%的三轴条件下减少了约43.42%,52.04%,和55.82%,分别。原因是水的损失是伴随着一些矿物颗粒。这导致岩样的孔隙度增加,加速恶化的砂岩。

4所示。讨论不同含水量的损伤本构模型

4.1。建立损伤本构模型

摇滚是一种天然的工业原料,但它通常伴随着大量的原始裂纹,气孔,软弱结构面。这些初始缺陷也是典型的表现和岩石破坏的重要原因17]。统计损伤本构模型(18)是一种广泛使用的损伤本构模型在岩石工程,将岩石视为一个异构失败部分microrock单位的过程,和函数可以表示如下: 在哪里ε岩石应变和吗一个和b岩石的物理和力学性能参数。

岩石的损伤变量可以由损坏的数量的比率microrock单位的总数microrock单位,它可以表示如下(19]: 在哪里Nmicrorock单位的总数。

根据弹性模量与含水量之间的关系,如图7,我们假设引起的损害含水量可以表示如下: 在哪里含水量和吗d岩石的物理和力学性能参数。

两个耦合时,岩石的损伤状态后含水量作为一个指示器的作用[20.]。加载后砂岩的实验,直到达到失败,其总损伤变量(D)可以被认为是由两部分组成,即含水量和加载造成的影响,可以得到以下方程:

基于等效应变的原则,砂岩单轴条件下的应力损伤关系可以显示如下:

根据Lemaitre等效应变原理(21)和广义胡克定律、三轴压缩下的岩石本构方程可以描述如下: 在哪里μ泊松比。

4.2。损伤演化分析

采用单轴抗压测试结果与不同含水量为例,可以计算损伤退化方程(4)结合方程(2)和(3)。图9介绍了砂岩的损伤演化与不同含水量下的单轴压缩试验。发现损坏在弹性阶段的堆积速率慢,和积累的损伤明显显示了一个向上拐点当曲线进入屈服阶段。在postpeak应变软化阶段,损伤不断累积的速度高,应变值接近峰值应变当标本完全坏了。

如图10,它是总损伤变量的演化曲线和不同含水量的单轴状态。从图9,它也表明,含水量较高,损伤变量在相同应变越小。在高水位的内容,发展缓慢的积累菌株的损害。结果表明,含水量的增加会影响岩石的失效特点,及其破坏特征将改变从脆性、韧性。

4.3。损伤本构模型的验证

对比实验结果和计算结果的方程(5不同含水量下)显示,该损伤模型与实验数据,如图11。这表明砂岩样品的实验曲线受含水量影响和单轴加载可以更好地反映在方程(5)。与此同时,计算结果通过使用方程(6)也被用于对比分析实验结果45 MPa的围压下不同含水量和发现,计算曲线与实验曲线,可以同意如图12。因此,该模型可以用来更好地预测不同含水率的影响,也为实际工程有一定的参考价值。

5。结论

本文收集的砂岩呼储气库选择报告不同含水量的力学性能,不同含水率和损伤退化的详细分析。可以得出以下结论。

指数函数关系是用来描述砂岩的偏应力和弹性模量随含水量。孔隙水的流失造成的损失矿物粒子,以及矿物颗粒和孔隙水之间的化学反应是这个现象的主要原因。此外,在实验中孔隙水压力的出现也加快了砂岩的降解率。

通过理论推导,提出了一种不同含水率的砂岩损伤本构模型相比,基于对数正态分布和计算的理论曲线与实验曲线。损伤本构模型的合理性证明高相似性理论曲线和实验曲线。

数据可用性

本研究的测试中使用的数据都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(41302223),重庆市自然科学基金(Nos. cstc2020jcyj-msxm1078和cstc2020jcyj-msxmX0558),和重庆科技大学研究生科技创新项目(没有。YKJCX2020653)。

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