（油气井工程专业论文）激波对水泥试样损伤分析及实验研究.pdf

d a m a g ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fc e m e n t s a m p l eu n d e r b l a s tw a v e r u a n x i n - f a n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl i n y i n g - s o n g , p r o f e s s o rd i n gy a n - s h e n g a b s t r a c t t h e l o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i rh a sh a l fo ft o t a lr e s e r v e si no u rc o u n t r y ；i t s e x p l o r a t i o na n db o t hd e v e l o p m e n tp h ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r e t h i s t h e s i si s e o n c o m i n gt o at e c h n o l o g ya b o u ti n c r e a s i n g p r o d u c t i o n i nl o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d s t h er o c kd a m a g ea n df r a c t u r eb yb l a s t i n gw a v ei n “e x p l o d i n gi no i ll a y e r s ”c a nb es i m u l a t e db yt h ee x p e r i m e n to fe x p l o d i n gt h e c e m e n ts a m p l ei nd e e pw a t e r at e c h n o l o g y , w h i c hw i l lb eu s e di nl o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d sn a m e d e x p l o d i n gi no i ll a y e r s i sb r o u g h tf o r w a r da f t e r h a v i n ga b s o r b e dl e s s o n so fw e l ls h o o t i n g , h a v i n gs u m m a r i t _ 脚t h es u c c e s s f u l e x p e l i e n o eo fh i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n ga n dh a v i n gu t i l i z e dh y d r a u l i c f r a c t u r i n g i tw i l l se n h a n c eo i lr e c o v e r y , i n c r e a s ep r o d u c t i o na n de c o n o m i c b e n e f i to f f i e l d s t h r o u g ho p t i m i z m ge x p e r i m e n t a lp r o g r a ma n da n a l y z i n ge x p e r i m e n t a l p h e n o m e n o n , o b s e r v i n ga n dd e s c r i b i n gc e m e n tb e f o r ea n da f t e re x p l o s i o n ，t h e m e c h a n i s m o f d a m a g ea n d f r a c t u r e o f c e m e n t i t i s a p p r o v e d t h a t c r a c k w h i c h o n t h ep r o f i l ec a l lr e p r e s e n tt h ec r a c ki nt h ec e m e n t t h i sr e s u l tc a nb eu s e dt o d e d u c ef r a c t u r er u l ei n s i d et h ec e m e n t u s i n ge x p l o d i n gs i m i l a r i t yt h e o r ya n d w a v em e c h a n i c sc a np r e l i m i n a r yg e td e c a yr u l eo fe x p l o d i n gs h o c ku n d e rw a t e r a n ds h o c ki n s i d et h ec e m e n t ；a c c o r d i n gt ot h ee l a s t i cp a r a m e t e r so fc e m e n t s a m p l eb e f o r ea n da f t e re x p l o s i o n , i tc a ng e td a m a g i n gv a r i a n to fs a m p l ea n d i i i e s t a b l i s ht h er e l a t i o nb e t w e e ns h o c kp r e s s u r ea n df r a c t u r ev a r i a n t a d d i t i o n a l l y , t h e 订a n s d u c e ri sf i ti nt h ee x p e r i m e n t ；a n di th a sw e l lb e h a v i o r s i nt h e p e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n t ，i t d i s c o v e r e at h e s a m p l e h a s g o o d p e r m e a b i l i t yw h i c h v a l u ei s 和1 0t i m e st h a nb e f o r e t h i sh a si m p o r t a n tm e a n i n g i nl o w e r p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d k e yw o r d s ：e x p l o d i n gi no i ll a y e r s ，c e m e n ts a m p l e ，c r a c kd e s c r i p t i o n ，d a m a g e a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 州年月扩日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： ， 谚吗年j - 月2 , 7 1 日 弘坷谚年了 月了日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 目前低渗透油气田所占比重达到已探明储量的一半，所占比重将会越 来越大，已经成为我国陆上石油工业稳定发展的重要资源。加快低渗透油 气田的开发势在必行，而改善低渗储层岩石物性是开发低渗透油气田最有 效的手段，因此有必要对低渗储层岩石物性改造技术进行进一步的研究。 以往我国在低渗透油气田开发中主要采用水力压裂和酸化技术改造油 层岩石物性。但在渗透率很低的油气田，只有在水力压裂形成的主裂缝邻 域的油气可以通过岩石中原有微小孔隙流入主裂缝产出，而离主裂缝较远 的油气资源仍然很难采出。如何提高低渗透油气田采收率，是我国石油工 业面临亟待解决的问题，也是世界石油工业需要解决的难题。 用爆炸方法提高油气采收率，是石油行业多年探寻的开采技术。根据 国内外曾试验过井内爆炸、地下核爆炸和高能气体压裂等爆炸法油气增产 技术，与目前成熟的水力压裂技术相结合，中国科学院力学研究所于9 0 年 代提出一项“层内爆炸”技术【“】，其基本思路是：利用水力压裂技术将乳 胶状爆燃药压入油层裂缝，并采取不损毁井筒的技术措施点燃该爆燃药， 从而在主裂缝周围产生大量裂缝，达到提高采收率、增产原油的目的。“层 内爆炸”增产技术是否可行，主要存在着以下三方面的技术问题：( a ) 药 品能否压入含油气岩层裂缝? ( b ) 药品压入岩层裂缝后能否发生爆炸? ( c ) 爆炸后对岩石产生效果怎样? 对于工程应用来说，最重要的是爆炸后对岩石产生的效果如何，能否 使地层产生油气开采所需的裂纹。在这方面国内外研究者已经做了不少研 究工作，得知岩石动态断裂对加载速率敏感，如图1 1 所示 5 1 。 图1 1 加载速率对岩石断裂的影响 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 据文献介绍【6 】，加载速率决定着孔壁岩石开裂模式( 如图1 - 2 、表1 - 1 ) 。 文献由冲击实验得到了获得多条裂纹的载荷阈值用，但没得到载荷与裂纹条 数的量化关系。对于工程应用来说，载荷与裂纹条数的量化关系是“层内 爆炸”增产技术的理论基础之，可用于优化施工设计，是可深入研究的 课题。 图1 - 2 加载速率对孔壁岩石开裂模式的影响 表1 - i 加载条件与裂缝数量的关系 峰值压 升压时间，s作用时间，s裂缝范围，m作用结果 力，n 毋a 井眼破坏，有无 爆炸压 l o 一一l o 一6 1 0 1 0 - 7 1 0 - 1 0 一l o i数细小裂缝，具 裂 有压实效应 高能气 l o 一31 0 2l o - 2 一1 0 一l 1 0 0 径向多条裂缝 体压裂 水力压 1 0 1 一1 0 2l o i1 0 3 一1 0 41 0 1 一1 0 2对称单一裂缝 裂 为此，本课题与中国科学院力学研究所合作研究水中岩石爆炸激波冲 击作用下开裂的载荷条件，是件富有理论意义和实用价值的工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 低渗透油田的研究 世界上低渗透油气田资源十分丰富，分布范围非常广泛，各产油国基 本上都有这种类型的油气田，美国中部、南部、北部和东部，前苏联的前 喀尔巴阡山、克拉斯诺达尔、乌拉尔一伏尔加、西伯利亚油区和加拿大西 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 部的阿尔达省都有广泛的分布。随着时间的延长，小而复杂的低渗透油田 的比例越来越大。 近期以来，在我国探明的原油地质储量中，低渗透油田的储量所占的 比例明显增大，达到一半以上。作为今后重点勘探、开发目标的对象之一 s q l 】。 ( 1 ) 低渗透油田储量的分布特点 目前发现的低渗透油田储层以中深埋藏深度为主； 低渗透储层中特低渗透及超低渗透储量占有较大的比例； 国内低渗透油藏岩性主要以砂岩为主。 ( 2 ) 低渗透油田开采规律 低渗透油田储层不仅物性差、岩性变化大、孔隙结构复杂、非均质严 重、天然能量弱，而且在开采过程中表现出与一般中高渗透油田不同的开 采特征。 自然产能低，压裂改造后才具有工业开采价值； 天然能量小，地层压力、产量下降快，一次采收率低； 低含水期含水上升慢，中低含水期是可采储量的主要开采期； 低渗透油田见水后无因次采液指数、采油指数随含水上升大幅度下 降，稳产难度大； 注水井吸水能力低，启动压力和注水压力高。 ( 3 ) 低渗透油田开发技术 低渗透油田最基本的特点就是地层流体自然渗流能力差，产能低，通 常需要进行压裂酸化改造才能维持正常生产【协1 4 1 。除了压裂酸化，为保持 地层压力，注水开发及相关的配套措施也是十分必要的开发技术。近几年 出现的许多开发油层的技术：复合、重复压裂技术，“爆炸松动”增产技术， 高能气体压裂技术，“层内爆炸”采油技术等。 水力压裂 水力压裂技术从上世纪5 0 年代开始以来，就技术而言已成为一项较成 熟的石油工程技术。它对于油气井增产、注水井增注是一项重要的技术措 施。其原理是：通过降低井底附近地层中流体的渗流阻力和改变流体的渗 流状况，使原来的径向流改变为油层与裂缝的近似单向流动和裂缝与井简 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 间的单向流动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗，因而油气井 产量或注水井注入量就会大幅度增高。 常规水力压裂有一些不足，例如：( a ) 具有“方向性”和“单一性”； ( b ) 重复性较差，二次改造效果不理想；( c ) 对低渗透储层的改造不尽人 意经过改造，发现它需与其他技术相结合使用，才能充分发挥其自身的 特点和作用；单一的水力裂缝，不能较大幅度的提高单井产能，而多裂缝 体系将是大幅度提高一次改造效果和单井产能及解决二次改造效果不佳的 有效途径。 “爆炸松动”增产技术 岩石动载性能的研究证明，岩石受到三向不均匀压缩，且其最小主应 力以与最大主应力q 比值达到某- 1 1 5 界值后，岩石的体积不仅不减小反而 增大，此种现象称“岩石压胀”“岩石压胀”现象造成的岩石体积增加是 由内部形成微裂缝或岩石颗粒相对滑动造成的，体积增加的同时，都伴随 着孔隙度和渗透率增加。在油田开采中，这对提高油气产量具有极为重要 的工程价值。 考虑压胀现象的裂缝几何形状与不考虑压胀的裂缝形状有明显差别， 同时“岩石压胀”现象的研究，也将为如何利用更佳经济的方法，产生更 小的；值，以取得更显著的“压胀”，提高油气井的产率，提出了新的课题。 但是“岩石压胀”现象所造成的渗透率增加是不可逆的。然而“岩石压胀” 现象尚未引起国内石油工程界的广泛注意。因而，“岩石压胀”现象的研究 无论对于常规的压裂增产措施和开发新的压裂增产工艺都具有重要的意 义。 爆炸法采油技术 用爆炸法增产油气包括井内爆炸法、核爆炸法和高能气体压裂。 a 井内爆炸法 井内爆炸包括固态、液态和气态炸药在井筒内的爆轰和爆燃，目的是 在井筒周围产生多条裂缝，既消除在钻井过程中造成的表皮损害，又使天 然裂缝体系与井筒连通。自从上世纪4 0 5 0 年代，水力压裂兴起，逐渐取 代了古老的爆炸压裂。其主要原因是井内爆炸造成的压缩应力波使井眼周 围岩石发生不可恢复的塑性变形，形成的残余应力场( 即“应力笼”) 使得 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 爆炸初期形成的大量裂缝重新闭合，或被爆炸残余物堵塞，有时反使岩层 渗透率下降，只有在某些情况下才可能提高产量。另外，井内爆炸易损毁 井筒、硝化甘油类药剂过于敏感，也是古老的爆炸压裂失败的原因。我国 在上世纪6 0 7 0 年代多次试验井内爆炸法，未获成功，由于人身及井身安 全等原因停止试验。要将井内爆炸法再应用于油气田开采，就必须解决爆 炸增产效果不稳定和井筒损害、施工安全等问题。 b 核爆采油 核爆能量巨大，实施核爆的储集层要有一定厚度才能形成一定格局和 规模的裂缝；同时，核装置既要有足够埋深以防止发生放射性泄漏，又不 能太深以防止岩石静压使产生的裂缝重新闭合。 核爆法产生的地震危害和核污染可以控制在可接受的程度。据有关资 料显示，在一次封闭的核爆之后，所有的在熔岩温度下( 1 5 0 0 2 0 0 0 ) 不是气体的放射性元素都会被封存在空穴“锅底”熔体中，几乎完全不会 溶解。如果把核爆炸采油产出气和普通气井产出气均匀混合而构成可控的 稀释系统，人们遭受辐射的增量只不过是天然背景下放射性的1 。从经济 。方面考虑，可以通过稀释或送往远处的发电站将其转化为另一种形式的能 源。 井筒核爆炸会造成并沟通各种空洞，从而增加井筒周围岩石渗透率。 美国和前苏联在上世纪6 0 7 0 年代进行过用核装置激励油气层的地下试 验，未获工业应用；我国在上世纪8 0 9 0 年代也曾进行核爆炸采油的规划 和现场试验设计，由于人文、地理、效果等多方面原因，未付诸实施。核 爆采油是否经济还在争论。也许有一天，技术进步和大量作业能使其成本 下降到商业化应用水平。 c 高能气体压裂技术 高能气体压裂又称可控脉冲压裂，是在爆炸压裂基础上于上世纪6 0 7 0 年代发展起来的。我国自上世纪8 0 年代开始试验高能气体压裂，目前已 广泛应用于各油田，取得较好增产效果。高能气体压裂在井筒内使用火药、 推进剂或推进剂与炸药混合物，利用它们爆燃产生的大量高温、高压气体 在井筒周围产生多条辐射状裂缝，其造缝机制主要是高温、高压气体的楔 入。高能气体压裂的基本概念是药剂爆燃而不是爆轰( 但总能量与药剂爆 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 轰相当) ，可以控制压力峰值和压力上升速度，多裂缝的产生与压力上升速 度直接相关( 井简内压力上升时间小于l m s 时沿井筒产生多条对称裂缝， 小于o 1 m s 时则使井周地层粉碎性破坏或产生密实圈) 高能气体压裂是脉 冲加载，一般来说脆性岩石的效果比较好；工艺关键是使推进剂与产层的 地质状况匹配，既达到推进剂燃烧产生多条裂缝的目的又不造成其它不利 影响。另外，对有些储集层温度较高的井，也许根本找不到适用的推进剂。 高能气体压裂缝沿井筒方向长约2 3 m ( 最长5 6 m ) ，垂直井筒方向 长约5 l o m ，缝宽一般为0 4 0 8 m m ，局限于近井地带。所以，高能气体 压裂没能成为低渗油田主要的增产措施，它只有同其它技术结合才能发挥 其应有的作用。比如：可以作为酸化前的预处理，而且还可以与重复射孔、 水力振荡、变压法、周期降压法，水力压裂等增产工艺联合使用。该技术 施工简单、所需经费少和结果可控，得到了一定应用。 液态高能气体压裂 液态高能压裂是独特的油气井增产新工艺，它涉及到许多学科领域， 既不同于爆炸压裂，又区别于水力压裂。它目前是唯一的高能与水力压裂 相媲美的压裂增产技术，一般的固体高能气体压裂，严格地说，仅是一项 近地带解堵技术，它的压裂缝长一般是2 8 m 。液体药压裂，缝长可达到 2 5 3 0 m ，与水力压裂缝长相近，增产比为2 5 5 。 改造油层增产原理是利用高能量液态药剂在井底迅速爆燃，产生近 i o o m p a 压力，温度为2 5 0 0 ( 很快下降) 的高速气流，使井壁地层产生 多条径向裂缝，其中长裂缝的长度为井径的5 0 1 0 0 倍或2 0 0 倍，其裂缝 方向是随机的，裂缝中的一条或几条可能和垂直于最小主应力的油层天然 裂缝相沟通，这就大大改善油层渗流能力，因而增产作用是明显的。 液态高能气体压裂的特点：( a ) 具有成本低、能量相对较高的特点；( b ) 在地面操作绝对安全可靠；( c ) 对套管无损坏。 根据岩石力学规律，岩石自然破裂时，裂缝的方向总是垂直于最小主 应力轴。这样，在地层岩石的应力控制下，就会对液态高能压裂产生的随 机裂缝造成剪切、错动效应，使两缝面产生错动位移、两个缝面上的凹凸 处互相交错，形成不会闭合的自行支撑的裂缝。这些裂缝可以解除钻井、 完井过程中所产生的堵塞，降低近井地带的油流阻力，达到增产的目的。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 “层内爆炸”增产技术 “层内爆炸”技术来自井筒爆炸、高能气体压裂与核爆采油揭示的地 下岩体中的爆炸现象，来自水力压裂揭示的含油岩体开裂现象。深部地层 造缝的特征是压力高、能量大、加载空间狭窄。水力压裂技术满足这些特 征。爆破工程经验告诉人们，炸药爆炸也能满足这些基本特征。 力学的原理是再大的静水压也不能压裂岩石，只有偏应力足够大才能 压裂岩石。水力压裂时，注液压力一般在5 0 1 0 0 m p a 之间，要比相应深 度岩层的平均静水压高一定值。炸药爆轰的压力峰值高达1 0 g p a 量级，爆 燃压力可控制在1 0 1 1 0 2 m p a 量级，相当于或高于水压裂缝的注液压力。 通常认为地层深部的水力压裂缝宽约2 3 m m 。每平方米裂缝容积约 2 3 l ，可注入约2 3 k g 炸药，按爆破工程估计在爆轰时可破碎约2 3 m 3 岩石。然而，“层内爆炸”时炸药爆燃，只在岩石中造成多条分支裂缝。如 果岩石破碎新增表面耗能约为常数，则“层内爆炸”的开裂范围会显著大 于2 3 m 3 ，即分支裂缝向主裂缝两侧延伸尺度显著大于l m 。 高能气体压裂的经验表明，井筒内瞬态压力不超过1 0 0 m p a 时，可以 不损毁井筒；高能气体压裂缝内存在岩屑，剪切裂纹两边岩石有不可恢复 的错动? ，因而有自支撑效应。根据这些经验，“层内爆炸”要把井筒内瞬 态压力控制在1 0 0 m p a 量级，并且可以依靠自支撑效应维持油气产层的渗 透能力。 基于上述分析，低渗油田“层内爆炸”增产技术的基本思路是：利用 水力压裂技术将乳胶状炸药压入油层裂缝，并采取不损毁井筒的技术措施 点燃炸药，从而在主裂缝周围产生大量裂缝，达到提高采收率、增产原油 的目的。 1 2 2 裂缝特征 裂缝是存在于低渗透介质中的高渗透性通道【”46 1 。在油气藏中，提供 有效的渗滤通道、储集空间，并大大增加油井的泄油面积，从而极大地改 善储集层的渗滤特性；还控制着油气藏的形成和分布。因此，普遍认为搞 清裂缝的分布规律，是油气勘探开发成功的关键。 目前，针对储层中裂缝开展的研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 确定七项表征参数：密度、长度( 延伸) 、宽度、高度( 切深) 、 7 串国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 斜度( 倾角) 、角度( 方位) 、深度( 裂缝的的井深) ； ( 2 ) 建立三种关系：裂缝发育程度( 主要是密度) 与岩性、厚度和构 造部位的关系； ( 3 ) 研究两种性质：一是裂缝的力学性质，二是裂缝的开启性质； ( 4 ) 评估裂缝能力：即裂缝对地层渗透率有多大的贡献能力； ( 5 ) 探讨成因机理；包括裂缝形成的原因、时间以及演化过程等。 自然裂缝的形成是由于构造应力作用的结果，裂缝的发育往往受区域 构造应力的控制。在裂缝等级划分时，目前主要考虑裂缝的宽度。迄今还 没有一个公认的、统一的裂缝等级划分，根据行业标准s y i 5 3 8 6 - 9 1 ，裂缝 ( 长宽比大予1 0 ：1 ) 按宽度进行等级划分褥结果见表1 - 2 。 表1 2 行业标准s y t 5 3 8 6 9 1 的裂缝分类 裂缝名称 裂缝宽度( l n l ) 巨缝 1 0 0 大缝 l 函v l o o 特宽缝 l l o 宽缝 0 1 l 中等缝 0 0 l o 1 窄缝 o t 3 0 1 - - 0 d l 镦缝 o 0 0 0 l o l 此外，在石油工程领域按照裂缝的导流能力大小还将裂缝分为无限导 流裂缝、均匀流动裂缝和有限导流裂缝。无限导流裂缝的渗透率比基岩渗 透率高得多，其无量纲导流能力可离达1 0 0 ，一般为小型压裂并中的人工压 裂裂缝；天然裂缝一般属于有限导流裂缝或均匀流动裂缝。 ( 1 ) 裂缝描述参数 单一裂缝参数是指裂缝的固有特征。为了对储集层中存在的单一裂缝 进行描述，地质工作者提出了裂缝宽度( 张开度) 、裂缝长度、裂缝倾角、 裂缝方位以及裂缝充填情况等参数；多重裂缝参数是指裂缝的排列( 几何 状态) 、网络分布、裂缝密度、裂缝间距、裂缝孔隙度等参数此外，为了 描述裂缝对流体的渗滤能力，裂缝渗透率以及裂缝导流能力等参数也搜提 出。 收集和综合整理大量的裂缝资料后，发现现有研究一般都围绕裂缝重 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 点问题研究： 裂缝宽度：又叫裂缝张开度。裂缝有一定的宽度，小到微米级，达 到毫米级，通常在几十到几百微米。当描述裂缝性油气藏时，在裂缝孔隙 度渗透率的计算及储集层的预测中，裂缝宽度是一个非常重要参数； 裂缝长度：是指裂缝的延伸长度，从构造地质学上可分为走向延伸 长度和倾向延伸长度。裂缝的长度在几米到几十千米之间，大的可达几十 千米。小的裂缝相互交叉构成网状结构，网状结构也可延伸几到几十千米， 由张应力作用形成的裂缝，其宽度与长度成正比； 裂缝倾角：是指裂缝面与水平面的夹角； 裂缝形状：裂缝的外观描述，通常用平直、弯曲或规则、不规则等 加以说明； 裂缝充填情况：包括充填物类型和充填程度。充填程度用充填物的 多少占裂缝空间大小的百分数来表示，它直接影响到裂缝的有效孔隙度和 渗透率； 裂缝方位：指裂缝或裂缝系统发育的方位，是描述裂缝的重要参数， 可直接由定向取心和裂缝与地层的关系获得，也可以从数值模拟和测井资 料分析中获得； 裂缝孔隙度：是指裂缝体积的相对大小，数值上等于裂缝总体积与 岩石总体积的比值； 裂缝密度：裂缝密度是衡量裂缝发育程度的重要指标。常规的裂缝 密度又可分为线密度、面积密度和体积密度。线密度是指与一直线相交的 裂缝条数和此直线的长度的比值。面密度是指裂缝累积长度和流动横截面 上基质总面积的比值。体密度是指裂缝总表面积与基质总面积的比值在 裂缝的三神密度中，仅体积密度能从量上最充分地反映裂缝的发育程度。 裂缝体积密度实际上表示了裂缝孔隙度分大小，它可作为定量评价裂缝发 育程度的一项重要指标。 ( 2 ) 微裂纹的产生及描述 而造成岩石非弹性变形的主要或直接原因一般认为是微裂纹扩展所 致。具体有以下几种：( a ) 在岩石中的原始微裂纹压密后重新张开和扩展： ( b ) 在岩石中微缺陷( 如夹杂、第二相等) 局部应力集中导致的微裂纹； 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( c ) 与局部拉伸裂纹张开相伴随的裂纹摩擦滑移。 这些机理的相互作用在微观描述上并不一致，这与各自的观测技术和 设备有关。但有几个一致的结论归结如下。 微裂纹的尺寸 在光学显微镜下观察到的岩石内部的微裂纹尺寸大约与晶粒尺寸处于 同一数量级，而在电子显微镜下观察到的微裂纹尺寸大约是晶粒尺寸的十 分之一左右。在非弹性变形的初始阶段主要是沿晶界面破裂，即微裂纹基 本沿着晶粒界面边缘分布，在有些大理石岩石中几乎有3 0 左右的晶粒边 界上和结晶面上存在大量的微孔洞，这些微孔洞在低应力下就可以产生应 力集中而相互贯通形成穿晶断裂裂纹。这样在变形过程中岩体内的微裂纹 尺寸可以认为与晶粒尺寸同一数量级 微裂纹方位 微裂纹具有一定的方向性，它是宏观上压、张、扭性结构所具有的各 种形态特征有机地结合在一起的综合反映，是应力作用的产物。在单向压 缩下，轴恕微裂纹占主导地位。在非弹性变形初期，增加的微裂纹与加载 方向成1 5 。3 0 0 夹角，而在非弹性变形的中后期，微裂纹趋向于轴向发展， 裂隙在轴向贯穿发展成几条微长裂纹，而长裂纹延伸方向以外的其他微裂 纹一般不再变化。如砂岩在单向应力作用下所形成的微裂纹大多向轴向应 力方向靠近。 裂纹的分布密度 在岩石内部随机分布着大量的原始微裂纹，其长度大多小于0 5 r a m 。 随着轴向压应力的不断增加，其内部不同长度范围内的微裂纹数目也随之 增加，而且增加的速度也越来越快。研究表明：随着轴向应力的不断增加， 与轴向应力方向成较小角度的微裂纹数目增加速度较之与轴向应力方向成 较大角度的微裂纹数目增加速度要快得多。由此可以推论，随着轴向应力 的不断增加，其内部所产生的大量微裂纹孔隙几乎都是近乎平行于轴向应 力方向。表1 3 给出了不同载荷比下岩石微裂纹扩展情形。 对具有宏观裂纹的岩石加载时，宏观裂纹尖端产生一个微裂纹网络( 确 切地说是损伤区) 。微观实验表明，尽管岩石的断裂特征属于平面应变类型， 在裂纹尖端既没有剪切也没有塑性区形成。微裂纹网络从现有的宏观裂纹 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 尖端处发生、发展，这些微裂纹是区域扩展而不是沿某条轨道扩展。r c n o l e n - h e o k s e r n a 和1 l b g o r d o n 对大理岩折叠悬臂梁中缺口处微裂纹在加 载下扩展过程进行了光学观测，随着载荷的增加，微裂纹网络增大，该裂 纹的分岔也在不断增加。 表1 3 不同载荷比下岩石微裂纹的扩展情况 载荷平均密度平均长度 平均宽度 微裂纹扩展状况 极限载荷条m m 2 r a mm m o 40 5 10 0 80 0 0 5 无明显变化 0 4 0 62 10 1 3 40 0 4 3轴向夹角方向孔隙明显增加 裂隙趋于轴向扩展，沿轴向 0 6 o 8 5 1 0 5o 1 9 20 0 1 5 发展成几条长裂隙 少数贯通少数可达 o 8 5 l 变化很小岩样，多数 0 5 3 r a m ， 少数长裂隙加宽，贯通衔接 岩石结构，构造明显被破坏 不变多数不变 从上面分析可知，岩石非弹性变形和破坏微观特征最主要有；( a ) 微 裂纹尺寸同晶粒同量级；( b ) 轴向微裂纹占主导，它是应力作用的产物；( c ) 几乎没有宏观塑性区形成。根据这些来自微观实验观察的结果，在建立岩 石损伤模型时可以认为：( a ) 岩石损伤可认为时弹性损伤( 无塑性损伤) ； ( b ) 岩石损伤的主体在轴向，故损伤变量矩阵可以考虑为主对角阵；( c ) 损伤演化应是应力应变状态的函数。 1 2 3 裂缝损伤断裂研究 随着研究的深入，发现发生在岩石中的损伤主要是脆性损伤，其表现 形式主要是单重或多重弥散、随机分布的微裂纹( 群) ，岩石所有的宏观力 学特征都与微裂纹的萌生、扩展、相互作用有关 1 7 - 1 9 1 。 对于岩石的破坏问题，传统的方法是应用岩石宏观力学的试验和理论 分析相结合，建立岩石强度理论来判断岩石的破坏，这种方法难以分析岩 石的破裂演化过程及破坏规律。事实上，大多数岩石是极其不均匀的，存 在着微裂纹和微空洞等几何不连续缺陷。岩石损伤力学研究具有初始缺陷 的岩石力学问题，但目前的宏观连续损伤力学和基于典型损伤基元的细观 损伤力学方法，难以描述受力岩石从细观损伤到宏观破坏的本质特征。以 往采用的经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为，无法 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 揭示岩石爆破破碎的全过程，也难以确定岩石内的损伤和破坏程度；而采 用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程的有效手段。 ( 1 ) 岩石爆破损伤断裂过程 岩石爆破损伤断裂机理是以岩石爆破机理和岩石细观损伤力学为基础 的。岩石爆破作用包括两个部分：一是爆炸应力波的动态作用：二是爆生 气体的准静态作用。目前已基本上得到了共识，认为岩石爆破是二者共同 作用的结果。 根据岩石爆破理论，岩石爆炸时，在岩石内部分为近区粉碎区、中区裂 缝区和远区弹性振动区。根据实验结果，发现在近区，岩石受到强烈压缩 破坏，而远区的弹性振动区，则没有明显的损伤。因此，对岩石爆破损伤 断裂的研究，主要集中在中区裂缝区。那么根据岩石的爆炸作用和损伤断 裂细观机理，岩石爆破损伤断裂过程可分为以下两个阶段： 爆炸激波作用下岩石损伤断裂初期。该阶段，在爆破近区产生压实 破坏，在爆破中区使裂缝激活并扩展，在远区激波衰减为弹性波，激发弹 性振动； 爆生气体准静态作用后期。该阶段是在爆炸激波损伤场基础上，产 生二次损伤断裂的过程，在爆破近区为爆生气体驱动下的裂缝扩展区，中 区为爆生气体膨胀作用下的微裂缝扩展区，在远区爆生气体维持着逐渐衰 减的弹性振动。 ( 2 ) 岩石爆破损伤断裂准则 根据对岩石爆破损伤过程分析和岩石损伤断裂机理，在爆炸作用的不 同阶段需要采用不同的岩石损伤断裂准则。 爆炸激波作用下的宏观裂缝区。在该区，爆炸激波的压力载荷远远 超过岩石的抗压强度，岩石产生强烈的压缩破坏，因此，可采用岩石的动 态抗压强度作为破坏准则； 爆炸应力波作用下的微裂缝区。在爆炸应力波作用下，岩石往往表 现为强脆性，因此，在爆炸应力波作用下的岩石损伤断裂准则可以采用纯 脆性损伤断裂准则。从l e m a i t r e 等效应力的概念出发，认为当等效应力盯。达 到岩石的动态断裂应力瓯时，损伤值达到临界值，材料发生断裂，从而得 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 到损伤断裂准则的表达式：吒= o r ( 1 一d e ) 。通常情况下，其临界损伤变量 d c - o 2 - - 0 5 ；对于纯脆性损伤时，损伤变量：d 。= 0 ；盯。= 盯= 仃。 ( 3 ) 岩石爆破的损伤理论模型 岩石爆破损伤模型 2 0 - 2 5 1 的研究工作应以美国s a n d i a 国家实验室为代 表。c r r a d y 和k i p p ( 1 9 8 0 ) 提出了岩石爆破各向同性损伤模型，即g k 模 型；该模型采用描述由拉伸应力激活的圆形裂纹所引起的岩石刚度劣化的 方法，同时假定了这些裂纹数服从双参数的w e i b u l l 分布。他们采用该模型 模拟爆炸载荷作用下油页岩的动态断裂和破碎，并根据能量平衡准则得到 了与应变率有关的激活裂纹平均半径表达式随后，t a y l o r 、c h e r t 和 k u s z m a u l ( 1 9 8 6 ) ，引进o c o r n e l 、b u - - d i a n s h y ( 1 9 7 6 ) 的有效体积模量 和泊松比与裂纹密度的关系表达式，以及c , r a d y 给出的激活裂纹平均半径 表达式，建立了损伤变量与裂纹密度之间的关系式，并将损伤变量耦合到 动态本构方程中。该模型可以预测岩石在体积拉伸载荷下的动态响应。 k u s z m a u l ( 1 9 8 7 ) 在以上两模型的基础上，提出了k u s 模型。该模型考虑 了高密度微裂纹的荫屏效应：即微裂纹周围产生应力所释放的材料能够重 叠，在裂纹的激活率中考虑了有损伤所引起裂纹数目的减少。t h o m e 等 ( 1 9 9 0 ) 在k u s 模型的基础上，考虑了激活裂纹数可能引起岩石体积的变 化，并通过采用不同的损伤变量定义，提高了模型在大裂纹密度条件下的 适应性。y a n g 等( 1 9 9 6 ) 、l i u 等( 1 9 9 7 ) 对以上模型在裂纹密度的分布 及损伤变量的定义方面进行了修正，认为只有在体积应交大于某一临界体 积应变后裂纹才能扩展，并考虑作用时间对裂纹密度的影响。他们在定义 损伤变量时还引入了断裂概率的概念。 目前，岩石爆破的损伤理论模型有十余种之多，他们的区别主要在对损 伤变量( 或损伤因子) 定义的不同；共同点是这些模型都采用岩石中的裂 纹密度来定义损伤变量。因而损伤模型都是由裂纹密度、损伤演化规律和 用有效模量表达的岩石本构方程3 部分组成。其中k g 损伤模型、k u s 损 伤模型和y a n g 等人的损伤模型引用较多。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 k - g 损伤模型 k - o 损伤模型是由美国学者k i p p 和o r a d y 提出的。该模型认为岩石中 含有大量的原生裂纹，这些裂纹的长度及其方位的空间分布是随机的。外 载荷作用下，其中的一些裂纹将被激活并扩展。一定的外载荷作用下，被 激活的裂纹数服从指数分布： 以g ) = 拓“ 式中，以g ) 是单位体积岩石中激活的裂纹数；占是体积应交；七，历是材料常 数。 式( 1 1 ) 的导数乘系数( 1 一d ) 为裂纹激活率，即 n = 以0 k ( 1 一d ) = 勋n 占”。1 i ( i - o ) ( 1 2 ) 式中，d 是己发生开裂引起的岩石强度降低，以计入被掩盖的已经开裂的 裂纹；占是应交率。 设裂纹扩展速度c g 为常数，则单条裂纹的影响体积y o ) 为： y ( f ) = 芸石( c ，咿 ( 1 - 3 ) f 时刻的损伤d o ) 为激活的裂纹数与影响体积的卷积： d ( f ) = f g 矿o r p r ( 1 4 ) 将式( i - 2 ) 和( i - 3 ) 代入式( i - 9 ) ，得 d o ) = 昙织砌l 矿1 舌( 1 一d 一r ) 3 打 ( 1 - 5 ) 同理，单条裂纹的影响面积口( f ) 为： 口( ) = 2 ，r 乜咿 ( i - 6 ) 总的破坏面积爿( f ) 为： 么o ) = f g k o r ) d f = 2 刀q m j g ”一1 t ( 1 一d 一r ) 2 d f ( i - 7 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 设口o ) 和y ( f ) 的中值为万o ) 和矿( f ) ，则有： d ( f ) 2 ；对g ) 矿( f r 弦f = 矿o ) e ) ( 1 8 ) = f 施一r 如= 万( f ) ( ，) 。 设裂纹的平均半径为f ( f ) ，则近似有： f 4 0 = 2 席2 e ) 汹= 汐( f ) n 。9 于是，可推得裂纹的平均间距，也可认为平均的破碎尺寸厶为； l “去2 等( 警 ； m 岩石损伤后，其本构关系可表示为： c r 0 - - k ( 1 一。地似( 1 一。0 ，一l e 3 ，) ( 1 - 1 1 ) 式中，k 是体积弹性模量；丑是拉梅常数。 方程式( 1 - 5 ) 、( 1 - 6 ) 、( 1 - 9 ) 和( 1 - 1 0 ) 即构成k - g 损伤模型的 封闭方程组，其中的材料常数k 、m 、c g 由应变率相关是拉伸试验确定。 k u s 损伤模型 k u s 损伤模型是在k - g 损伤模型的基础上发展起来的，它对材料的描 述与k - g 损伤模型有所不w - - 。k u s 损伤模型认为，当岩石处于体积拉伸或 静水压力为拉应力时，岩石中的原有裂纹将被激活。裂纹一经激活就影响 周围岩石。使得周围岩石应力释放。并定义裂纹密度c d 为裂纹影响区的岩 q = n a 3 ( 1 - 1 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 n 的定义与k - g 损伤模型相同，有： 和n = _ | b ，l s ”1 ( 1 一d ) ( 1 1 4 ) k u s 损伤模型假设被激活裂纹的平均半径正比于碎块的平均半径，即： ( 老 乃 k p c 占 式中，a 是比例系数；e 一是最大体积应变率；p 是岩石密度；c ，是岩石 中的波速；k c 是岩石的断裂韧性。 将式( i - 1 3 ) 、式( i - 1 5 ) 代入式( i - 1 4 ) 得： g 专七对二四 m 根据0 ，c o d n e i 的研究，含有裂纹材料的裂纹密度c d 、有效泊松比万、 损伤变量d 有以下关系： 心一釜 。= 萼嘲巳 m r 一一4 5 丝= 盈垒二要：1 2 瓦f 矿瓦去翮 式中，上加横线的量表示损伤岩石相应的有效量 于是，构成了k u s 损伤模型的封闭方程组。材料常数| j 由高应变率拉 伸断裂试验确定。 七= 嘉( 2 幽一 m 式中，p o 。) 是最大拉伸应力；m 建议取6 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为方便起见，还可进一步推出： 肚矗编尚 m y a n g 等人的损伤模型 y a n g 等人的损伤模型认为：岩石中裂纹的起裂和扩展是由延展应变 决定的，当岩石中某点的延展应变大于某临界值时，原有裂纹起裂、扩展。 延展应变定义为岩石中某点的主拉应变( 对数应变) 之和，即 3 0 = ( 1 n 丑) ( 1 - 2 0 ) 式中，口是延展应变；五是主延伸( 主拉应变) ；当x 为压缩时，( x ) = 0 ， 当x 为拉伸时，( x ) = x 。这里，代表l n 丑。 当延展应变大于临界值时，岩石中的裂纹起裂、扩展，由此引起的岩 石裂纹密度增加为： 堕d t = 口( 9 一y ( 1 - 2 1 ) 式中，s 是裂纹密度；口，是材料常数；口，艮是延展应变和临界延展应变， ( 如= 0 2 0 2 2 ) 裂纹的扩展，导致岩石损伤，y a n g 等人的损伤模型定义损伤变量d 为： d ：1 _ e - ( s 2 ) ( 1 2 2 ) 岩石损伤前后的弹性常数之间有如下关系 f e l = ( 1 一o ) e g 。= ( 1 一d ) g ( 1 - 2 3 ) i 【l = 式中，e ，g ，分别是未损伤的岩石的弹性模量，剪切模量和泊松比；带下 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 标1 的量是岩石损伤的相应量。 综合损伤岩石的本构关系，即得y a n g 等人的损伤模型的封闭方程组。 y a n g 等人的损伤模型还指出，如果岩石的延展应变小于临界值，则 岩石中的应力应变关系可用弹塑性理论来描述，且服从运动硬化的v o n m i s e s 准则。由于这时裂纹闭合，因而仍采用未损伤岩石的弹性常数。这种 情况下，岩石的应变增量由弹性增量和塑性增量两部分构成，即： a 占u = 厶s ；厶s ；( 1 - 2 4 ) 假定偏应力率只与弹性偏应力率有关，即： = 2 g , x s j ) 4 ，f ， ( 1 - 2 5 ) 1 1 7 r = 3 k e y 且 盯r = 盯l i + 盯翘+ 盯 ( 1 - 2 6 ) 【唧= 毛l + f 2 2 + 毛3 偏应力空间中，屈服中心用张量万表示，万的初始值为零。由屈服面中 心量取的应力差善表示为： q = o g a q ( 1 - 2 7 ) 万的演化率为： 毛= 纠詈鲁 c ， 式中，h 是硬化系数：o r o 是屈服应力。 m i s e s 准则的当量应力为： 拈括岛白 ( 1 2 9 ) 假定屈服应力盯。为常