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出版者:

作者:Zoback, Mark D.

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:2007-8

价格:$ 187.58

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isbn号码:9780521770699

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《蓄水层力学：基础与应用》 引言 随着全球对能源需求的持续增长，地下资源的勘探与开发变得愈发重要。在众多地下资源中，石油、天然气以及地热能的开采都与地下的岩石力学性质密切相关。尤其是在碳捕获与封存（CCS）、地下水资源管理、以及非常规油气（如页岩气、致密油）的开发等领域，对地下岩体的力学行为的准确理解和预测变得至关重要。这正是“蓄水层力学”这一学科所要解决的核心问题。 《蓄水层力学：基础与应用》旨在为地质学、地球物理学、石油工程、土木工程以及环境工程等相关领域的专业人士和研究者提供一个全面而深入的理论框架和实践指导。本书并非一本简单的教材，而是致力于梳理蓄水层力学的核心概念，探讨其背后的物理机制，并详尽阐述其在各类实际工程问题中的应用。本书的撰写力求严谨、系统，并结合最新的研究进展，为读者提供一个扎实的知识基础，以应对复杂多变的地下工程挑战。 第一部分：岩石力学基础 岩石作为地下的主要赋存介质，其力学性质是蓄水层力学研究的基石。本部分将从岩石力学最基础的概念出发，逐步深入。 绪论：岩石作为连续介质的假设与局限性 我们将首先探讨在宏观尺度上，岩石如何被视为连续介质进行力学分析。这包括对岩石均匀性、各向同性等理想化假设的介绍，并讨论在何种尺度下这些假设是合理的，以及当考虑微观结构（如裂缝、孔隙）时，连续介质模型的局限性。理解这些前提条件对于正确应用后续的力学模型至关重要。 应力与应变：描述岩石变形的基本语言 本章将详细介绍应力（包括正应力与剪应力）和应变（包括线应变与剪应变）的概念。我们将讨论应力张量和应变张量，以及它们在三维空间中的表示。通过对不同应力状态（如单轴、三轴）的分析，读者将掌握如何量化岩石所承受的外部载荷及其产生的内部响应。 本构关系：连接应力与应变的桥梁 岩石的本构关系描述了应力与应变之间的内在联系。我们将重点介绍几种关键的本构模型： 弹性本构： 介绍胡克定律，包括杨氏模量、泊松比、体积模量和剪切模量等弹性参数。我们将讨论岩石的弹性行为，以及在弹性范围内应力与应变的关系。 塑性本构： 探讨岩石在超出弹性极限后的塑性变形行为。我们将引入屈服准则（如莫尔-库仑准则、德鲁克-普拉格准则），并解释其在描述岩石破坏和永久变形中的作用。 黏弹性本构： 引入时间相关的变形，探讨岩石的黏弹性特性，如蠕变和应力松弛。我们将介绍一些基础的黏弹性模型（如Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型），并讨论它们如何模拟地下流体流动和地温变化引起的长期变形。 损伤力学： 介绍岩石在反复加载或极端条件下发生的损伤机制，如微裂纹的萌生、扩展和连接。我们将探讨损伤变量的概念，以及损伤如何影响岩石的宏观力学性能。 岩石的力学参数测试方法 本节将介绍实验室中常用的岩石力学测试方法，包括： 单轴压缩试验： 测定岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比。 三轴压缩试验： 模拟地下真实的围压条件，获取更全面的岩石力学参数，包括屈服强度和破坏准则。 直剪试验： 测量岩石的内摩擦角和黏聚力，尤其适用于分析节理和断层的稳定性。 拉伸试验： 测定岩石的抗拉强度。 疲劳试验： 研究岩石在循环加载下的耐久性。 我们将讨论这些试验的原理、操作规程以及数据解释，强调试验结果的可靠性与代表性。 第二部分：孔隙介质力学 绝大多数储层都具有孔隙和渗透性，这意味着岩石的力学行为与其中流体的存在和流动密切相关。孔隙介质力学是蓄水层力学的核心组成部分。 多孔介质的宏观描述：达西定律与流体流动 我们将从流体在多孔介质中流动的基本规律——达西定律出发，详细介绍其形式、适用范围以及渗透率的概念。我们将讨论稳态与非稳态流动，以及牛顿流体与非牛顿流体在多孔介质中的流动特性。 有效应力原理：耦合固液力学行为的关键 有效应力原理是描述孔隙介质力学行为的核心。我们将深入探讨Biot的有效应力原理，解释总应力、孔隙压力和有效应力之间的关系。我们将详细阐述孔隙压力如何影响岩石的力学强度和变形，以及这一原理在固结、水力压裂等过程中的重要性。 固结理论：孔隙压力耗散与地层沉降 本章将介绍Terzaghi的一维固结理论，解释孔隙压力的消散过程以及由此引起的固结沉降。我们将讨论固结系数、固结度等概念，并介绍多维固结的简化模型。同时，将探讨饱和与非饱和多孔介质的固结差异。 水力耦合作用：孔隙压力变化引起的地层变形 我们将详细研究孔隙压力变化对地层力学行为的影响，包括： 孔隙压力升高： 导致有效应力降低，岩石强度下降，可能引发失稳。这在注水开发、水力压裂等过程中尤为重要。 孔隙压力降低： 导致有效应力升高，岩石压缩变形，可能引起地层沉降。这在油气开采、地下水抽取等过程中常见。 我们将分析不同加载路径下的孔隙介质响应，并探讨这些耦合作用在储层工程中的实际意义。 渗透率与应力、孔隙度之间的耦合关系 渗透率并非一个常数，它会随着应力状态和孔隙度的变化而改变。本章将探讨： 应力对渗透率的影响： 围压的增大或减小如何改变孔隙和裂缝的闭合或张开，从而影响渗透率。 孔隙度对渗透率的影响： 宏观孔隙度与渗透率之间的统计关系。 裂缝性储层的渗透率： 考虑裂缝的存在如何显著提高储层的渗透率，以及裂缝的开启与闭合对渗透率的影响。 第三部分：蓄水层力学在实际工程中的应用 基于前两部分建立的理论基础，本部分将聚焦蓄水层力学在关键工程领域的具体应用。 石油与天然气工程中的应用 储层沉降与地面沉降： 分析油气开采过程中，地层流体压力降低导致的地层固结沉降，以及由此产生的地面沉降问题，探讨其对地面设施和环境的影响，并介绍监测与缓解技术。 水力压裂： 深入探讨水力压裂过程中，高压注入流体对岩石产生的应力扰动、裂缝的形成与扩展机制。分析压裂液性质、注入速率、地层应力状态等因素对裂缝几何形态和导流能力的影响。 油藏诱导地震： 研究注水、注气、油气开采等活动引起的地下应力场变化，如何诱发微地震活动，及其对储层完整性、生产安全的影响。 非常规油气开发： 重点讨论页岩气、致密油等非常规储层独特的力学特性，如页岩的黏弹性、各向异性，以及压裂增产的关键力学问题。 碳捕获与封存（CCS） CO2注入对储层岩石力学行为的影响： 分析注入CO2可能带来的孔隙压力变化、岩石-流体相互作用（如矿物溶解或沉淀）以及温度变化，如何影响封存层的稳定性和封存容量。 封存层完整性与泄漏风险评估： 基于力学模型，评估封存层的长期稳定性，预测裂缝的产生与扩展，从而评估CO2泄漏的可能性。 注水与注CO2耦合效应： 在多相流体注入的复杂情况下，分析其对储层力学特性的综合影响。 地下水资源管理与保护 超采与地下水位下降： 分析长期超采导致的地下水位下降，有效应力增大，引起的地层固结和地面沉降。 地下水抽取对地层稳定性的影响： 评估大规模地下水抽取是否会引发地裂缝、滑坡等灾害。 地下水回灌与污染物迁移： 考虑回灌过程中的压力变化对地层力学的影响，以及孔隙介质的变形如何影响地下水的运移路径和污染物扩散。 地热能开发 水力压裂与裂缝网络形成： 论述地热开发中，为提高导热面积而进行的水力压裂，其裂缝形态与导热效率的关系。 地热开采诱导的微地震： 分析地热开采过程中，因注水、抽水引起的应力变化，是否会诱发微地震，以及如何控制。 热-力-流耦合效应： 探讨高温流体注入引起的温度变化如何影响岩石的力学性质和渗透率，以及这些效应如何影响地热采热效率和储层寿命。 其他相关应用 地下工程稳定性： 如隧道、矿井、大坝等工程的稳定性分析，均涉及地下岩体的力学行为。 地震工程： 研究地震波在地层中的传播，以及地层变形对地震效应的影响。 结论与展望 《蓄水层力学：基础与应用》的撰写，旨在提供一个系统、全面且深入的知识体系，帮助读者理解和解决复杂的地下工程问题。我们不仅关注理论的严谨性，更强调其在实际工程中的应用价值。本书涵盖了从岩石力学基础到孔隙介质耦合力学，再到各类前沿工程领域的应用。 展望未来，蓄水层力学领域仍有许多待探索的课题。例如，如何更精确地描述复杂非均质储层的力学行为，如何发展更有效的数值模拟方法以处理多尺度、多物理场的耦合问题，以及如何将人工智能和机器学习技术应用于储层参数反演和性能预测，都将是未来研究的重要方向。我们希望本书能够激发读者对蓄水层力学更深入的探索，并为解决人类面临的能源、环境和资源挑战贡献力量。 目录（章节示例） 第一部分：岩石力学基础 第一章：绪论：岩石作为连续介质的假设与局限性 第二章：应力与应变：描述岩石变形的基本语言 第三章：本构关系：连接应力与应变的桥梁 3.1 弹性本构 3.2 塑性本构 3.3 黏弹性本构 3.4 损伤力学 第四章：岩石的力学参数测试方法 第二部分：孔隙介质力学 第五章：多孔介质的宏观描述：达西定律与流体流动 第六章：有效应力原理：耦合固液力学行为的关键 第七章：固结理论：孔隙压力耗散与地层沉降 第八章：水力耦合作用：孔隙压力变化引起的地层变形 第九章：渗透率与应力、孔隙度之间的耦合关系 第三部分：蓄水层力学在实际工程中的应用 第十章：石油与天然气工程中的应用 10.1 储层沉降与地面沉降 10.2 水力压裂 10.3 油藏诱导地震 10.4 非常规油气开发 第十一章：碳捕获与封存（CCS） 11.1 CO2注入对储层岩石力学行为的影响 11.2 封存层完整性与泄漏风险评估 11.3 注水与注CO2耦合效应 第十二章：地下水资源管理与保护 12.1 超采与地下水位下降 12.2 地下水抽取对地层稳定性的影响 12.3 地下水回灌与污染物迁移 第十三章：地热能开发 13.1 水力压裂与裂缝网络形成 13.2 地热开采诱导的微地震 13.3 热-力-流耦合效应 第十四章：其他相关应用 14.1 地下工程稳定性 14.2 地震工程 第十五章：结论与展望

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这本小说的节奏感把握得堪称完美，简直就像一场精心编排的交响乐。开篇部分如同柔板，缓慢而富有张力，为即将到来的高潮积蓄着能量。随后，音乐骤然加快，冲突在各个层面爆发，从个体的情感纠葛到宏观的权力斗争，无一不展现出惊人的能量。我常常在阅读时，能清晰地“听见”文字中蕴含的节奏，那种急促的呼吸声、沉重的脚步声，都仿佛身临其境。作者在处理多线叙事时展现出的高超技巧也令人赞叹，不同的故事线索交织、并行，最终汇集成一幅完整而壮阔的图景，毫无凌乱之感。尤其值得一提的是，书中对环境和氛围的描绘，简直是视觉系的盛宴。那些细腻到近乎偏执的细节描写，让抽象的文字拥有了立体的触感和气味，仿佛我真的踏足了故事中的每一个角落。这是一部真正具有“沉浸感”的文学作品。

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从文学性的角度来审视，这部作品无疑是罕见的精品。它的语言并非追求华丽的辞藻堆砌，而是追求一种精确到位的表达，仿佛每一词一句都被作者放在显微镜下审视过，务求达到最佳的传达效果。其中穿插的一些隐喻和象征手法，运用得极为高明，它们巧妙地嵌入到日常的对话和场景之中，不喧宾夺主，却能引导读者进行深层次的思考。例如，书中对于“光与影”的反复提及，不仅仅是描绘物理世界，更像是一种对道德模糊地带的深刻注释。此外，作品中体现出的对人类文明进程的深刻关怀，也令人肃然起敬。它没有给出简单的答案，而是提出更尖锐的问题，迫使我们反思我们所处的时代和正在做的选择。这是一部需要反复阅读、每次都能发掘出新层次的“常读之书”。

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我不得不说，这本书的结构设计简直是天才之作。它不是那种一板一眼的线性叙事，而是更像一个精密的万花筒，通过不断地旋转和重组不同的片段，揭示出隐藏在表象之下的真相。作者似乎对“叙事视角”的运用有着异乎寻常的直觉，时而站在局外人的超然高度俯瞰全局，时而又深入到某个角色的意识深处，体验其最私密、最脆弱的瞬间。这种视角的频繁切换，非但没有造成阅读上的障碍，反而极大地增强了故事的悬疑感和复杂性。读到后半部分，我几乎是屏住呼吸去追寻那些散落在各处的线索，试图拼凑出全貌，那种“啊哈！”的顿悟时刻，是阅读过程中最大的乐趣之一。它挑战了传统的故事讲述模式，展现了文学形式的巨大可能性。如果你厌倦了千篇一律的叙事套路，这本书会是一剂强效的清醒剂。

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读罢此书，我有一种被某种宏大且冷峻的哲学思辨所洗礼的感觉。它不像许多流行的作品那样急于提供答案或廉价的慰藉，反而更像是一面冰冷的镜子，映照出现实的残酷与人性的局限。作者的语言风格极为凝练且富有力量，每一个句子都像经过了精密的计算，掷地有声，不带一丝多余的情感修饰，却在克制中蕴含着巨大的情感张力。我尤其佩服作者对“时间”这一概念的处理，它不是线性的流逝，而更像是一个可以被感知的、具有重量的实体，深刻地影响着故事中每个角色的选择与命运。书中的一些哲学探讨，涉及到了存在的意义和自由意志的边界，引人深思，甚至在我合上书本之后，这些疑问依然在我脑海中盘旋不去。这本书无疑需要读者投入极大的专注力去品味，但回报是丰厚的——它会拓宽你思考世界的边界，让你对既有的认知产生质疑。

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这部作品的叙事手法真是令人着迷，作者似乎将读者的心神牢牢锁在了那个充满未知与挑战的奇异世界里。情节的推进如同潺潺流水，起初平缓，却在不经意间汇集成一股势不可挡的洪流，将人卷入命运的漩涡。我特别欣赏作者对于角色内心挣扎的细腻描摹，那种在抉择边缘的彷徨与痛苦，被刻画得入木三分，让人感同身受。书中构建的那个社会背景，其复杂性与层次感，远超一般小说所能企及的深度。每一个设定、每一个习俗，都仿佛经过了长久的沉淀与打磨，散发出一种古老而又坚韧的气息。读到某些转折点时，我甚至会停下来，反复揣摩作者的用意，那种精妙的布局和伏笔回收，简直是文学上的享受。更难得的是，尽管故事背景宏大，人物众多，但作者始终保持着对个体情感的关注，使得这部作品在史诗般的背景下，依然保持着一份温暖而动人的情谊。我强烈推荐给那些喜欢在文字中探索人性复杂性和社会结构奥秘的同好们。

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