沖擊載荷下巖石壓脹對(duì)其性質(zhì)的影響＊

王俊奇，王 亮，張 杰

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

壓脹是存在于巖石中的一種較為特殊的力學(xué)特性，主要特征是在一定的三軸不均勻壓應(yīng)力作用下，巖石體積不縮小反而增加，同時(shí)孔隙度和滲透率也增加，強(qiáng)度下降［1］。盡管巖石的壓脹特性很早就被人們發(fā)現(xiàn)，但由于實(shí)驗(yàn)條件所限，對(duì)巖石壓脹特性的研究主要還集中在靜態(tài)條件下（應(yīng)變率小于5×10－5s－1），對(duì)動(dòng)態(tài)條件下（應(yīng)變率大于10－4s－1）壓脹后巖石的性質(zhì)還缺乏深入研究［2］，巖石壓脹特性利用方面的研究較少。烏克蘭1975年開(kāi)始利用壓脹特性進(jìn)行油井增油試驗(yàn)，我國(guó)于1998年在延長(zhǎng)油田試驗(yàn)壓脹增產(chǎn)技術(shù)［3－5］取得了一定的效果，但一些機(jī)理問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究。本文中立足試驗(yàn)，研究壓脹后巖石滲透率、彈性模量、聲速特性等參數(shù)的變化規(guī)律，為壓脹增產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖1 落錘加載巖石壓脹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of drop hammer loading experimental system

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有專門用于研究空間載荷下巖石壓脹特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于壓脹實(shí)驗(yàn)要求巖樣受到的空間應(yīng)力和應(yīng)變張量都是沖擊性的，因此，要求實(shí)驗(yàn)裝置必需能模擬地應(yīng)力和地層壓力（孔隙壓力）的初始應(yīng)力狀態(tài)，能連續(xù)記錄應(yīng)力和應(yīng)變張量所有的分量及其隨時(shí)間的變化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行分析研究［6］。巖石壓脹動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)、落錘加載系統(tǒng)、巖樣室、測(cè)試系統(tǒng)和泵壓系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)如下：軸向最大沖擊應(yīng)力，1.5GPa；側(cè)向最大沖擊應(yīng)力，200MPa；額定靜態(tài)側(cè)向壓力，100MPa；額定孔隙壓力，50MPa；可靠響應(yīng)頻率，20kHz；載荷脈沖時(shí)間，0.2～20ms。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將準(zhǔn)備好的巖樣置于厚壁圓筒中，重錘自由下落對(duì)活塞桿施加非完全彈性碰撞并將沖擊載荷傳遞到被測(cè)巖樣上，形成沖擊壓力脈沖。承壓容器的壓力腔給被測(cè)巖樣提供一個(gè)初始的受壓載荷狀態(tài)，以模擬地層巖石應(yīng)力對(duì)巖樣軸向加載。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將位移、孔隙壓力、周圍壓力、應(yīng)變數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)專用的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、轉(zhuǎn)換和分析，研究巖石在沖擊載荷作用下的壓脹規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

巖石不均勻受壓產(chǎn)生的壓脹效應(yīng)提高了孔隙度從而改變了巖石的滲透率，因此，沖擊載荷下巖石壓脹的變化規(guī)律是通過(guò)壓脹對(duì)滲透率、彈性模量、聲波速度的分析而獲得的。

2.1 壓脹對(duì)滲透率的影響

滲透率是評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)油氣田的基本參數(shù)之一，對(duì)巖樣不均勻加載產(chǎn)生的壓脹效應(yīng)改變了巖石滲透率，造成巖石體積增加，更大程度地影響到滲透率。為了研究壓脹效應(yīng)對(duì)巖石滲透率的影響，先用巖樣流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定壓脹前飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水的巖樣的滲透率K0，然后利用巖石壓脹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使巖石產(chǎn)生壓脹，最后用巖樣流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定壓脹后飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水的巖樣的滲透率K，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 巖石滲透率比值與加載不均勻度關(guān)系Fig.2Relation between peremability ratio and loading unevenness

圖3 巖石滲透率比值與壓脹量關(guān)系Fig.3Relation between peremability ratio and dilatancy ratio

由圖2中可以看出，滲透率的比值與巖石的性質(zhì)有關(guān)，不同巖質(zhì)的巖石其滲透率的比值有顯著不同；滲透率的比值隨巖石不均勻加載系數(shù)的增加呈指數(shù)關(guān)系減小，壓脹后滲透率K可由下式來(lái)表達(dá)

式中：K0為原始滲透率，σ1為巖石彈性強(qiáng)度極限，α、β分別為與巖石性質(zhì)有關(guān)常數(shù)，ζ為加載不均勻度。

由圖3中可以看出，滲透率比值的變化與壓脹量（巖石壓脹后體積V與壓脹前體積V0的比值）呈對(duì)數(shù)關(guān)系，開(kāi)始時(shí)隨著壓脹量的增大而迅速增大，隨后逐漸變緩，這主要是壓脹造成微裂紋產(chǎn)生和原有微裂紋的擴(kuò)展和連通造成的。

圖4 巖石彈性模量與壓脹量關(guān)系Fig.4Relation between elasticity modulus and dilatancy ratio

2.2 壓脹對(duì)巖石彈性模量的影響

圖4所示為砂巖和灰?guī)r在單軸條件下不同壓脹量與其彈性模量的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，隨著壓脹量的增加，巖樣的單軸彈性模量減小，且在開(kāi)始階段，彈性模量隨壓脹量的增加下降得比較快，之后隨壓脹量的增加，彈性模量下降得較為緩慢。圖5所示為彈性模量與不均勻加載次數(shù)之間的關(guān)系曲線。從圖5中可以看出，隨著不均勻加載次數(shù)的增加，巖石的單軸彈性模量降低，說(shuō)明了重復(fù)加載對(duì)巖石的體積壓脹特性有重要影響。

圖6所示為巖石的彈性極限σ1與壓脹量之間的關(guān)系圖。從圖6中可以看出，隨著壓脹量的增大，其彈性極限σ1減小，且在開(kāi)始階段，彈性極限隨壓脹量的增大下降得比較快，之后隨著壓脹量增大，巖石的單軸彈性極限下降得較為緩慢，這與彈性模量的變化是一致的?？梢?jiàn)壓脹效應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致巖石的孔隙度和滲透率增加，同時(shí)還會(huì)造成巖石的彈性模量和彈性極限的降低。

巖石壓脹后其彈性模量和彈性強(qiáng)度都不同程度減小，這個(gè)特點(diǎn)在采礦工程中可以用來(lái)增加開(kāi)采速度，降低采礦成本；另外，在隧道設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中必須考慮壓脹特性對(duì)隧道安全的不利影響以保證隧道圍巖在開(kāi)挖后不發(fā)生明顯的擴(kuò)容和破壞。

圖5 巖石彈性模量與不均勻加載次數(shù)的關(guān)系Fig.5Relation between elasticity modulus and nonuniform loading times

圖6 巖石的彈性極限與壓脹量的關(guān)系Fig.6Relation between elastic limit and dilatancy ratio

2.3 壓脹對(duì)巖石聲波速度的影響

研究壓脹對(duì)巖石聲波速度影響時(shí)，利用聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，用橫波換能器測(cè)出巖樣的橫波傳播時(shí)間，得出橫波波速，用縱波換能器測(cè)出巖樣的縱波傳播時(shí)間，得出縱波波速，測(cè)試結(jié)果如表1所示，表中vs、vp分別為橫波和縱波的波速。

表1 壓脹前后巖石中聲波速度Table 1Sonic velocities before and after dilatancy in rock

從表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，巖石出現(xiàn)壓脹效應(yīng)以后，其橫波和縱波速度都比實(shí)驗(yàn)前有所減小，這是由于壓脹后巖樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋及原有微裂紋延伸和擴(kuò)展所造成孔隙度增加；同時(shí)，壓脹后巖石的縱波速度與橫波速度的比值減小，這將會(huì)影響巖石的動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比。

3 結(jié) 論

從巖石壓脹動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)入手，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)壓脹產(chǎn)生后巖石性質(zhì)的變化進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）巖石壓脹后其滲透率和孔隙度增加，滲透率增加與巖石不均勻加載系數(shù)有關(guān)，隨不均勻加載系數(shù)的增加，巖石的滲透率減小。

（2）巖石壓脹后不同的巖石聲波傳播速度都有不同程度地降低，同時(shí)彈性模量和彈性極限降低，表現(xiàn)為巖石的弱化。

（3）壓脹特性在采礦工程、隧道設(shè)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害分析方面也有著重要的意義。它涉及巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)、材料力學(xué)、石油工程等多個(gè)學(xué)科，對(duì)其規(guī)律的更深入的認(rèn)識(shí)，還有待進(jìn)一步研究。

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