文摘

研究能源消费之间的关系和碎页岩在不同加载条件下的大小是高效的关键页岩裂缝。分离式霍普金森压杆系统是用于研究页岩下的动态力学性能并行vertical-bedding加载,测试计算和能量耗散的影响。页岩裂缝的平均压大小之间的关系之间的产品和能量耗散和分形维数和耗散能量利用分形理论进行了研究。实验结果表明,动态抗压强度的平行,vertical-bedding条件下页岩与应变速率有明显的正相关。耗散的能量加载下的页岩样品在两个方向上随应变速率的增加而增加。的增加样品的应变率增强的破碎。vertical-bedding页岩样品有较强的吸收能量的能力和更多的内部裂纹扩展。耗散能量的页岩样品平行,vertical-bedding测试呈正相关分形维数的影响。分形维数增加和耗散能量的增加样品失败;进一步增加耗散能量,它对分形维数的变化的影响逐渐减弱。

1。介绍

页岩气开采技术的核心目标是开展页岩气储层的储层改造,打破岩层使用水力压裂等技术。随着新的压裂技术的发展,如经过液态火药高能气体压裂和其他人来说,动态页岩压裂有望成为一个有效的技术来提高产量。因此有必要研究的动态力学响应在动态压裂页岩(1]。

分离式霍普金森压杆(SHPB)是一种有效的方法为研究加载下的岩石力学性能的影响。悦et al。2)使用一种改进的SHPB装置执行花岗岩单轴压缩实验影响样本Bukit新加坡区域在不同的应变率。结果表明,花岗岩的动态电阻随应变速率增加而增加。抗压强度增加的同时增加了花岗岩的大小,和碎片的大小和数量增加。丹等。3]利用SHPB进行多次撞击加载实验花岗岩样品和获得高应变率下的波形曲线。他们得出的结论是,峰值应力、峰值应变和耗散能量随应变速率的增加而增加。

宏观断裂的岩石的最终结果是不断发展、扩张,其内部缺陷的聚合和渗透。从细观损伤进展到宏观断裂是一个耗能的过程和具有分形特性。从能量的角度,分析了岩石的变形和破坏,建立了岩石破裂和能量变化之间的关系。Sujatha和钱德拉Kishen4)提出,每个应力-应变状态的岩石与相应的能量状态。从弹性变形和微裂纹演化、毁灭的能量交换与外界总是存储和传输的能量存储外部世界。这个过程还以各种形式向外界释放能量来维持能量平衡。谢et al。5]分析了能量耗散和释放花岗岩单轴压缩故障期间,石灰岩和砂岩。实验研究表明,能源发挥了基础性作用的过程中岩石变形和破坏:能量的突然释放导致不稳定的岩石。

由于岩石的断裂表面的不规则性,很难近似模拟使用一个平面6];相反,应用分形理论在岩石裂缝可以真正描述裂缝的形状(7]。通过大量的实验观察,材料具有自相似性的宏观断裂;这种自相似性的行为将不可避免地导致分裂的自相似性和能量耗散断裂后(8- - - - - -10]。谢et al。11),通过大量的实验与分形理论相结合,发现分形维数越大,碎岩体规模越高,碎片的数量越大,分裂后体积越小。块分布的分形维数可以定量地反映压碎岩的大小。施等。12sericite-quartz片岩和砂岩)进行冲击压缩测试使用一个SHPB装置,获得了压碎岩的分形维数的大小影响负荷下使用分形几何理论,研究影响速度的分形维数的影响。

在冲击加载条件下,页岩表现出显著的各向异性。研究其能源消耗和碎大小之间的关系在不同加载条件下的关键是高效的页岩裂缝。在这个工作中,影响压缩测试并行,vertical-bedding页岩样品进行了使用一个SHPB装置研究冲击载荷下的能量耗散在0°、90°层理方向。的加载速率和能量耗散之间的关系建立了动态影响下的页岩。分形理论是用来计算平均压的大小和分形维数。骨折块的分形特征进行了分析。碎的平均尺寸之间的关系和能量耗散之间的断裂产品和分形维数和耗散能量。

2。材料和方法

2.1。样品制备和测试设备

这项工作中所使用的样品是取自露头页岩Longmaxi长宁地区形成的四川省,中国。为了避免大分散由于抽样测试结果的差异,样本取自同一批次的岩石。75毫米的圆柱样本钻parallel-bedding使用岩心钻机和vertical-bedding方向,如图1。样本被切割和抛光后,加工成75毫米×37.5毫米光碟。每个盘都有一个错误的0.5毫米的长度和端面的平面度误差为0.02毫米。

使用75毫米直径SHPB装置动态岩石测试,不同的应变率是通过改变气体压力的大小的影响。气体压力的影响选择从五个设置:0.62,0.64,0.66,0.68,和0.70 MPa。每个实验进行了一式三份。

2.2。分离式霍普金森压杆系统的能量分析原理

霍普金森酒吧测试系统用于岩石动态的影响。从一开始加载失败的示例中,所携带的能量,反射和透射波 , ,和 ,分别。计算如下(13,14]: 在哪里 ,和 ,分别指示杆的横截面积,应力波速度和弹性模量。

样品的两端表面被涂上一层凡士林作为润滑剂,所以引起的能量耗散和样品之间的摩擦接触表面和入射光的传输结束酒吧在加载过程中不需要考虑能源分析。

能量耗散在测试样品是使用以下公式计算4]: 可以分为三个部分:(i)骨折耗散能量 ,它主要用于裂纹损伤形成和断裂表面形成;(2)动能 ,与样本片段的喷射;(3)其他形式的能量耗散 ,如声音和辐射能。当加载速率不是特别高,非常小到可以忽略不计,示例碎片的动能占大约5%的吗 。这个测试分析样品的耗散能量,忽略了样本碎片的动能。

3所示。结果和分析

3.1。页岩样品在不同加载条件下的动态抗压强度

典型的应力-应变曲线获得在这些测试中数据所示2和3。曲线可以分为四个阶段:初始变形、线弹性变形、非线性变形,岩石卸载失败。

的比较数据2和3显示,当应变率相似,parallel-bedding-loaded页岩样品的峰值应力比vertical-bedding-loaded样本;parallel-bedding-loaded页岩的峰值应变小于vertical-bedding页岩。的弹性部分的平均斜率曲线的弹性模量作为页岩:parallel-bedding-loaded页岩的弹性模量大于vertical-bedding-loaded的样本。

加载岩石在不同方案下,岩石破坏的类型将会改变。承受动态负荷时,岩石会聚集大量的能量在很短的时间,这将导致裂缝岩石内部裂纹在不同的方向高速的影响。高速冲击下岩石的破坏机理是接近实际工程中的故障模式。图4显示了典型的失效模式下的页岩样品平行,vertical-bedding加载下气体压力为0.70 MPa产生影响。

试样的抗压强度和应变率是通过数据处理获得。拟合后的曲线数据如图5,P表示平行层理和C表示垂直层理。动态抗压强度有明显的应变率相关性,随应变速率的增加而增加,这大约是线性的。比较两种情况下的线性关系,发现parallel-bedding案子的斜率大于vertical-bedding情况下,表明前者是更敏感的动态抗压强度的应变率。parallel-bedding样本的动态抗压强度大于vertical-bedding样本。

3.2。耗散的能量在不同加载条件下页岩样品

根据能量计算公式得到的霍普金森杆实验原理和应力波数据从测试,获得该事件,反映,和传输能量和能量消耗的样品断裂在测试计算和数据处理。统计结果获得了不同能量和数据拟合,如图6和7。

图6表明,页岩耗散能量的增加随着入射能量的增加在两层条件下,根据线性关系。这表明之间的比例页岩破裂和入射能量的耗散能量相对恒定。

图7显示,耗散能量的页岩样品随应变速率的增加而增加的加载方向。这是因为,随着应变率的增加,更多的新裂纹产生在样例和更多耗散能量吸收。的增加样品的应变率增强的打破。

结合数据中的数据6和7为相同的入射能量的情况下,吸收的能量vertical-bedding页岩样品比吸收parallel-bedding样本,反映的差异这两个箱包吸收能量的能力。这主要与沉积的分布和安排被褥、分层剥落矿物质和有机质的页岩。垂直分层页岩样品有一个更大的吸收能量的能力,和内部裂纹传播的数量和分裂的程度更大。

3.3。页岩裂缝分形研究

碎页岩产品的动态影响测试收集并结合大小分数根据标准实验室筛尺寸为2.36,4.75,9.5,16日,19日,26.5,31.5,37.5,和53毫米。高灵敏度电子天平是用来权衡质量积累在每个筛筛选后,和块大小的数据记录分析。

更直观、准确地代表页岩样品的粒度分布裂缝后,我们介绍了物理量的平均压大小,计算如下(5]: 在哪里代表了页岩样品的平均粒径影响破碎后,代表平均压块的粒度累积后的筛筛选试验,和代表了大小对应块的质量。假设骨折块的最大粒径直径75毫米,最小值是0毫米,的值64,45.25,34.5,29岁,22.75,17.5,12.75,7.125,3.555,和1.18毫米。振动筛机的例子页岩样品筛选后数据所示8和9。

从分形的角度分析,岩石破裂后骨折块的形状类似于扩大裂缝的形状;岩石破裂后,各种几何形状具有自相似性。破碎的分形维数块页岩样品可从下列公式15]: 在哪里线的尺寸吗我th片段;块的体积与骨折块大小不大于 ,的质量和总量的比例(总质量);是一块的质量,破碎的块大小不大于 ;米总质量;和是源块线尺寸D分形维数。在获取的安装线 ,直线的斜率是(3−D)。

后续测试数据整理,平均压的大小和应变率下平行和垂直织品的页岩,分别拟合获得的关系曲线如图10。

图10表明,页岩样品有不同的断裂规模分布在不同的应变率失败后获得在不同大气压力的影响。平行和垂直的动态影响压缩后织品,平均压碎碎片的大小随应变速率的增加而迅速降低,但随着应变速率持续增加,曲线的斜率逐渐变得较小,表明平均应变率的影响碎尺寸逐渐降低。测试数据进一步分类,和入射能量耗散能量,和平均压平行,vertical-bedding样本的大小,分别匹配。拟合的关系曲线如图11和12,分别。

碎的平均尺寸在动态冲击压缩减少耗散能量的增加,但随着耗散能量逐渐增加,拟合曲线的斜率开始减少,影响粉碎的大小减少。页岩样品的宏观断裂之间的关系和能量吸收(耗散能量)是相对紧张。随着入射能量的增加,吸收的能量消散样本数量的增加,增加裂缝产生。破碎后的产品数量越大,较小的规模后,样品被打破了。

测试数据进一步排序,平行的耗散能量,vertical-bedding样品的分形维数与断块。拟合的曲线关系图所示13。

对图的分析13表明,页岩样品的断裂能量耗散层理方向呈正相关后的岩体破裂的分形维数。分形维数增加和耗散能量的增加破坏的样本按照多项式函数。结合这些信息与骨折的示例中,可以看出,在破裂过程中消耗的能量越多,分形维数越大。碎尺寸越小,断裂后产生的块的数量就越大。图13表明,随着耗散的能量逐渐增加,拟合曲线的斜坡变得更小,表明分形维数的增长率放缓,最终达到一个极限值。增加能量耗散的影响分形维数的变化逐渐削弱。的斜坡上的分形维数之间的关系和耗散能量vertical-bedding页岩很大在图13的分形维数,表明vertical-bedding页岩耗散能量的变化更敏感。压大小的变化更强烈的影响增加耗散能量。

4所示。结论

页岩动态力学性能的实验研究。Parallel-stratification和vertical-bedding页岩样品受到动态影响压缩加载测试使用一个SHPB试验系统。动态抗压强度、应力-应变关系和两个页岩类型冲击载荷作用下的失效模式进行了分析,并确定能源消耗和分形特征。得出了以下的结论:(1)动态抗压强度平行,vertical-bedding条件下页岩与应变率有明显的相关性,随应变速率的增加而增加是一个近似的线性方式。当应变率相似,parallel-bedding页岩样品的峰值应力比vertical-bedding样本;parallel-bedding-loaded页岩样品的峰值应变小于vertical-bedding的样本。(2)的能源消耗分析并行,vertical-bedding页岩动态冲击载荷下显示,应变速率的增加,吸收的能量耗散样本增加,表明应变率增加。这种效应增强的破碎页岩样品。吸收的能量vertical-bedding页岩样品比吸收parallel-bedding样本,反映他们的能量吸收能力的差异。页岩吸收能量的能力越强,内部裂缝传播的数量就越大。(3)通过分析页岩样品的粒度分布失败后,引入分形理论,结果表明,获得的平均压大小与耗散的能量动态影响压缩伤害增加parallel-bedding和vertical-bedding页岩样品。变化在动态压缩后的平均压大小与耗散能量的增加更明显vertical-bedding页岩,碎大小是小。耗散能量的正相关岩体的分形维数。分形维数增加随着耗散能量的增加在失败的样本。与耗散能量的增加,耗散能量的变化对分形维数的变化逐渐削弱。与parallel-bedding页岩相比,分形维数和碎大小vertical-bedding页岩被耗散能量的变化影响更大。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文得到了开放项目爆炸科学与技术国家重点实验室、北京理工学院(没有。KFJJ19-10M)。