岩石孔隙结构特征及对其 力学性能的影响 1.意义 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 2.流程 浏览课本，理解课题 讨论含义，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 3.对象 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 岩石中的空隙 一 引言 1. 岩石空隙在地球上的分布：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. 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。 二、孔隙 1. 概念：存在于松散的或未完全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： 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，粘土遇水膨胀不 能； 容重-比重法：细砂，先测岩石的容重r、比重 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，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； 特征 大小：具有级次性，如，大构造断裂带，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，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。 表表2-2 2-2 各种岩石裂隙率数值表（变化范围）各种岩石裂隙率数值表（变化范围） 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、地下暗河等。 特征： 形状：有方向性，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，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。 五、自然界岩石空隙的复杂性 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。 评价岩石孔隙结构的参数评价岩石孔隙结构的参数 1）反应孔隙大小的参数 孔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； 毛管压力中值 孔隙喉道平均值和孔隙喉道半径中值 主要流动孔喉半径平均值 难流动孔喉半径 2）反映孔喉分选特征的参数 孔隙喉道分选系数； 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。 3）孔喉连通性、控制流体运动特征的参 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。 孔隙率（Porosity），指散粒状材料表观体积中，材 料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（pore 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。 巴西圆盘劈裂试验 孔隙结构参数对 岩石力学性能的 影响 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 1 2 条主裂纹，随着荷载的增加两 端的主裂纹逐渐向 圆盘中间扩张。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； 孔隙率增大到 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 保持孔径分布、空间位保持孔径分布、空间位 置分布置分布 函数不变，随着函数不变，随着 孔隙率的增加，圆盘的孔隙率的增加，圆盘的 抗拉强度随抗拉强度随 着降低，给着降低，给 出了不同孔隙率模型的出了不同孔隙率模型的 抗拉强度变化曲抗拉强度变化曲 线。不线。不 同孔隙率圆盘的抗拉强同孔隙率圆盘的抗拉强 度曲线呈现一种指数递度曲线呈现一种指数递 减的趋势减的趋势 2.孔隙率对圆盘模型抗拉强度的影响 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的 5%30% 时，加载两 端出现了多条细小 的裂纹，大都集中在孔隙密集的 地方，没有明显的主裂纹， 3.3.3.3.孔径分布对圆盘力学性能的影响孔径分布对圆盘力学性能的影响孔径分布对圆盘力学性能的影响孔径分布对圆盘力学性能的影响 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 当孔隙率 v 7%时， 孔径控制参数的改 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 本可以忽略， 当孔隙率较大时，由于孔隙数目较多， 孔径 分布控制参数的改变对孔隙总数量 以及不同孔径数 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。 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 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延伸，形成从表面 向内部发 展的破裂方式。 5.孔隙空间位置对圆盘力学性能的影响 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。 6.孔隙位置对圆盘模型抗拉强度的影响 当孔隙率为 3%时，3 种不同孔 隙位置的圆盘模型的抗拉强 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； 当孔隙率v =23%时，抗拉强度分别为 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。 结论 1.孔隙率严重地影响孔隙圆盘模型的破坏状 态、应力分布以及抗拉 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， 2.孔径分布对圆盘模型破坏状态的影响主要 体现 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 一定的影响，但随着孔隙率的增大， 这种影响明显 降低 3.保持孔隙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。孔隙空间位置的随机变化对孔隙介 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 孔隙结构研究方法 室内研究方法井下研究方法 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 铸体薄片分析法 该法是将染色树脂注入到 被洗净和抽空的岩心孔隙 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。 CT扫描图像分析法 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， 经过迭代运算就可以得到X射线 衰减系数的断面分布图。 毛管压力分析 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 用电阻率测井资料研究岩石孔隙结构 该法是建立在岩石导电物理模型和阿奇尔公 式的基础上，利用测井资料