岩石孔隙结构特征及对其力学性能的影响

1、岩石孔隙(kngx)结构特征及对其力学性能的影响共五十一页1.意义(yy)岩石是一种天然的多孔材料，其内部包含着大量不规则、跨尺度的孔隙，这些孔隙直接影响着岩石的宏观物理、力学和化学性质，如强度、弹性模量、渗透性、电导率、波速、颗粒吸附力、岩石储层产能等。探明孔隙结构(jigu)与岩石宏观物理力学性质之间的内在关系，对于解决石油、地质、采矿、冶金、土木和水利工程中的实际问题具有十分重要的意义。-岩石力学与工程学报第28卷第10期孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响实际问题：准确地预测工程岩体的变形与稳定性、保证正确的工程设计和良好的施工质量共五十一页2.流程(lichng)浏览课本，理解课题

2、讨论(toln)含义，明确分工大体汇总，讨论修改 分头行动，具体实施最后确定，总结经验 共五十一页3.对象(duxing)含煤岩系（coal-bearing strata），一套含有煤层或煤线的沉积岩系。组成含煤岩系的沉积岩大都呈灰、灰绿、灰黑和黑色，主要是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、灰质(huzh)泥岩和煤组成，砾岩、粘土岩、石灰岩，铝质岩、油页岩、硅质岩和火成碎屑岩等也常出现在含煤岩系中。-百度百科共五十一页岩石(ynsh)中的空隙 一 引言 1. 岩石空隙在地球(dqi)上的分布：地壳表层十余公里，尤其近一、两公里以内。 2. 岩石空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和连通性。 3.

3、 岩石空隙的地质分类：松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。共五十一页共五十一页共五十一页共五十一页二、孔隙1. 概念：存在于松散的或未完全(wnqun)胶结的岩石颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。 2. 分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部分地层。 3. 特征：共五十一页 度量指标：孔隙度（n） （1）概念：某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。 （2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。 （3）测定方法： 砂、砾等松散岩石一般用注水方法，粘土遇水膨胀(png zhng)不能； 容重-比

4、重法：细砂，先测岩石的容重r、比重 共五十一页共五十一页共五十一页共五十一页三、裂隙 1. 概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用，使岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、岩浆岩等保留原生成岩孔隙外，主要是在后期构造应力作用下产生后生裂隙。 3. 分类：按成因分：成岩裂隙 岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩） 沉积作用：固结、干缩 （沉积岩）。 岩浆岩最普遍(pbin)，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。 风化裂隙：后期风化作用形成的各种裂隙； 构造裂隙：后期的构造应力作用形成的各种裂隙；共五十一页特征 大小：具有级次性，如，大构造断裂

5、带，次级造断裂带，再次一级造断裂带，小到用显微镜进行微观裂隙观测。 连通性：总体上不好(b ho)，局部可能很好，形成裂隙系统。找水，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂， 裂隙含水系统。 多少：裂隙率。包括线裂隙率、面裂隙率和体裂隙率。在野外研究裂隙时，测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填等。共五十一页表2-2 各种岩石裂隙率数值(shz)表（变化范围）共五十一页四、溶穴或岩溶1. 概念：具有可溶岩石裂隙，在地下水流作用下形成。 2. 分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云岩。 3. 种类：溶孔（石灰岩的微空隙）、溶蚀裂隙、溶洞、地下暗河(n h)等。 特征：共五十一页形状：有方向性，

6、主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具有裂隙特征。 大小：尺寸极不均匀，暗河(n h)，主干溶蚀形成。 多少：岩溶率分布：极不均匀（保留了原有裂隙特征） 连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。共五十一页五、自然界岩石(ynsh)空隙的复杂性 发育状况复杂： 粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土-隔水层，若粘土中有存在干缩裂隙可以为含水层，如河南驻马店粘土层，可以为含水层（取的是裂隙中的水）。 坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩系岩石。 可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。 共五十一页 评价(pngji)岩石孔隙结构的参数共五十一页 1）反应孔隙(kngx)大小的参数孔

7、隙喉道半径及孔隙喉道大小分布 孔隙喉道半径（简称孔喉半径）是以能够通过孔隙喉道的最大球体半径来衡量的，单位是微米（m）。孔喉半径的大小受孔隙结构影响极大。若孔喉半径大，孔隙空间的连通性好，液体在孔隙系统中的渗流能力就强。地层中液体流动条件取决于孔隙喉道的结构，孔喉数量、半径大小、截面形状、液体与岩心的接触面大小等都将起一定的作用；最大孔隙喉道半径Rd及排驱压力Pd 排驱压力Pd是指非润湿相（汞）开始进入岩样所需要的最低压力，它是汞开始进入岩样最大连通孔喉而形成连续流所需的启动压力，也成为(chngwi)阈压或门槛压力。在排驱压力下汞能进入的孔隙喉道半径即岩样中最大孔隙喉道半径Rd；共五十一页毛

8、管压力中值 孔隙喉道平均值和孔隙喉道半径(bnjng)中值主要流动孔喉半径平均值难流动孔喉半径共五十一页2）反映孔喉分选特征(tzhng)的参数孔隙喉道分选系数(xsh)；孔隙喉道歪度；孔隙喉道峰态；孔隙喉道分布峰数峰值峰位；均值系数。共五十一页3）孔喉连通性、控制(kngzh)流体运动特征的参数退汞效率；孔隙喉道比；孔喉配位数；孔隙曲折(qzh)度；最小非饱和孔喉体积百分数；孔隙结构综合评价系数；视孔喉体积比；结构均匀度。共五十一页孔隙率（Porosity），指散粒状材料(cilio)表观体积中，材料(cilio)内部的孔隙占总体积的比例。孔隙率包括真孔隙率，闭空隙率和先空隙率。孔径分布（p

9、ore size distribution）是指材料中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。共五十一页巴西圆盘(yun pn)劈裂试验 孔隙结构参数对岩石(ynsh)力学性能的 影响 共五十一页孔隙率对圆盘劈裂破坏方式有 很大的影响。当孔隙率为 3%7%时，在加载初期， 加载两端出现了 12 条主裂纹，随着荷载的增加两 端的主裂纹逐渐向圆盘中间(zhngjin)扩张。当达到峰值荷载， 即圆盘发生破裂时，两端的主裂纹在圆盘中心汇合， 终形成 12 条平行于加载方向、近似为直线的主 裂纹贯穿整个圆盘，圆盘主要以拉伸破坏为主；1.孔隙率对圆盘(yun pn)模型力学性能的影响共五十一页 孔隙率增大

10、到 15%23%时，在加载初期，加载两 端和圆盘中间孔隙密集的地方同时出现了众多(zhngdu)的细 小裂纹。随着荷载的增加，加载两端的细小裂纹并 没有沿着加载方向向圆盘中心汇合，而是朝着孔隙 密集的地方蔓延，同时圆盘中间的裂纹也继续扩张共五十一页保持孔径分布、空间位置分布 函数不变，随着(su zhe)孔隙率的增加，圆盘的抗拉强度随 着降低，给出了不同孔隙率模型的抗拉强度变化曲 线。不同孔隙率圆盘的抗拉强度曲线呈现一种指数递减的趋势2.孔隙率对圆盘模型(mxng)抗拉强度的影响共五十一页对于孔隙率为 23%的模型，改变孔 径分布的控制参数对圆盘破坏行为有较为明显的影 响。在加载初期即峰值荷载

11、的 5%30%时，加载两 端出现(chxin)了多条细小的裂纹，大都集中在孔隙密集的地方，没有明显的主裂纹，3.孔径分布对圆盘(yun pn)力学性能的影响共五十一页随着孔径控制参数的减 小，这种现象尤为明显。随着荷载的增加，到了峰 值荷载的 50%70%，众多细小(xxio)裂纹朝着孔隙密集 的地方逐渐向圆盘中心延伸，同时在圆盘的中心也 出现了许多细小(xxio)裂纹。随着孔径控制参数的减小， 细小裂纹的数目也增多，到达破坏时，两端的细小 裂纹向圆盘内部延伸，圆盘中心的裂纹向外扩展， 终这些细小裂纹汇合，连通，贯穿整个圆盘，形 成以众多细小裂纹为主的破坏状态共五十一页当孔隙率 v 7%时，孔

12、径控制参数的改 变对圆盘模型的抗拉强度有较为明显的影响，而当 孔隙率大于等于 15%时，孔径控制参数对圆盘模型抗拉强度的影响基本可以(ky)忽略，4.孔径分布对圆盘模型(mxng)抗拉强度的影响共五十一页当孔隙率较大时，由于孔隙数目较多，孔径(kngjng) 分布控制参数的改变对孔隙总数量以及不同孔径(kngjng)数 量的比例影响不大，所以对圆盘抗拉强度的影响也 不大；但当孔隙率较小时，孔径控制参数的改变对 不同孔径的孔隙数量有较大的影响，因而抗拉强度 变化较大。共五十一页保持孔隙率和孔径分布特征不 变，改变孔隙位置，对于圆盘破坏的影响主要体现 在裂纹产生的位置上，改变孔隙位置并没有影响圆

13、盘的破裂方式和裂纹的数目，从加载开始经过加载 中期直到圆盘破坏，圆盘模型都是从表面开始破裂， 然后向圆盘中心和内部(nib)延伸，形成从表面向内部(nib)发 展的破裂方式。5.孔隙空间位置(wi zhi)对圆盘力学性能的影响共五十一页对于低孔隙率，例如 3%7%，在 圆盘纵剖面上都存在着对称破坏区，破坏时形成(xngchng)一 到 2 条主裂纹，破坏主要以拉伸破坏为主；对于高 孔隙率例如 15%23%，破坏裂纹都聚集在孔隙密 集的地方，并出现多条细小裂纹，而没有明显的主 裂纹，破坏时出现了剪切和拉伸破坏共同作用的现 象。共五十一页6.孔隙位置对圆盘模型抗拉强度(kn l qin d)的影响

14、当孔隙率为 3%时，3 种不同孔 隙位置的圆盘(yun pn)模型的抗拉强度分别为 1.06，1.11 及 1.06 MPa；当孔隙率 v =7%时，抗拉强度分别为 0.94，0.92 和 0.98 MPa；当孔隙率 v =15%时，抗 拉强度分别为 0.71，0.73 及 0.71 MPa；共五十一页当孔隙率v =23%时，抗拉强度分别(fnbi)为 0.55，0.52 和 0.54 MPa，计算结果表明，在保持孔隙率不变和孔径分 布特征(初始控制参数 S0)的条件下，改变孔隙位置 对圆盘模型抗拉强度的影响较小。共五十一页 结论(jiln)1.孔隙率严重地影响孔隙圆盘模型的破坏状 态、应力分

15、布以及抗拉强度。当孔隙率较低时，圆 盘模型达到破坏时形成一条平行于加载方向近似直 线的主裂纹，并贯通(guntng)圆盘，以拉伸破坏为主；随着 孔隙率增大，达到破坏时，形成多条细小破坏裂纹， 而没有了明显的主裂纹，并出现了拉伸破坏和剪切 破坏共同作用。随着孔隙率的增大，圆盘模型的抗 拉强度呈现指数递减的趋势，共五十一页2.孔径分布对圆盘模型破坏状态的影响主要 体现(txin)在：随着孔径控制参数的减小，某些大孔逐渐 消失，被孔径较为均一的小孔所代替，导致破坏裂 纹数的增多，即在每一个相同的加载阶段，孔径 控制参数的减小导致破坏区域更大，更加分散。 孔径分布控制参数的改变对圆盘模型抗拉强度有 一

16、定的影响，但随着孔隙率的增大，这种影响明显 降低共五十一页3.保持孔隙(kngx)率和孔径分布特征不变，改变孔 隙空间位置，对于圆盘破坏的影响主要体现在裂纹 产生的位置上，并没有影响圆盘的破裂方式和裂纹 的数目。孔隙(kngx)空间位置的随机变化对孔隙(kngx)介质的抗 拉强度没有显著的影响。 数据来源： 岩石力学与工程学报 第 28 卷 第 10 期共五十一页孔隙(kngx)结构研究方法共五十一页室内研究(ynji)方法井下研究(ynji)方法铸体薄片分析扫描图像分析毛管压力分析电阻率测井资料核磁共振测井共五十一页铸体薄片(bo pin)分析法该法是将染色树脂注入(zh r)到被洗净和抽空

17、的岩心孔隙内，待树脂凝固后，再将岩心切片放在显微镜下观察。铸体薄片中带色的树脂部分就是代表岩石二维空间的孔隙结构状态。共五十一页CT扫描(somio)图像分析法该法是通过发射X射线对岩心作旋转扫描，在每个位置可采集到一组一维的投影数据，再结合旋转运动，就可得到许多方向上的投影数据；综合这些投影数据，经过迭代(di di)运算就可以得到X射线衰减系数的断面分布图。共五十一页毛管压力(yl)分析岩石的毛管压力曲线：储层岩石的毛管压力和湿相饱和度关系(gun x)曲线。它是研究岩石孔隙结构特征最重要的资料。右图为一台毛管压力分析曲线测定仪共五十一页用电阻率测井资料研究(ynji)岩石孔隙结构该法是建

18、立在岩石导电物理模型和阿奇尔公式的基础上，利用(lyng)测井资料求取岩石孔隙结构参数S岩石孔隙结构参数S是综合反映储层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，说明储层条件越好；反之孔隙孔道越小，越曲折，储层条件越差。共五十一页核磁共振测井研究岩石(ynsh)孔隙结构核磁共振测井是通过研究地层中的孔隙流体(lit)的原子核磁性及其在外加核磁作用下的震动特性，来研究各种流体孔隙度，进而评价岩石的孔隙结构。共五十一页4.不足(bz)对于岩石的研究充满着个性的因素，不能代表整体，更不能代表实际。因为岩石的矿物成分是不均匀的，空隙的分布位置和大小更是千差万别，直接导致了力学性质的改变。寻找(xnzho)更具普遍代表性的研究方法或者是利用计算机更高精度的模拟真实状况应该将来的主要问题。-个人观点共五十一页5.反思(fn s)主要还是找资料，看资料，拼资料的老路子，没有个人观点，甚至没有个人的疑问。这里面固然有时间紧迫，专业知识少的客观原因，但缺乏的敢于(gny)质疑的精神和乐于思考的内容才是最重要的。在以后的学习中，也应该多想问题多思考。共五十一页谢谢(xi xie)！共五十一页内容摘要岩石孔隙结构特征及对其力学性能的