高溫高壓作用下致密砂巖三軸壓縮試驗

鄧 輝，張 咪，鄧通海，張 茜

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

致密石英砂巖氣作為中國目前最現(xiàn)實的天然氣戰(zhàn)略儲備[1-3]，從1971年起，先后在四川、鄂爾多斯、塔里木、吐哈、松遼等10多個盆地相繼被大規(guī)模開發(fā)[4-9]。川西坳陷地區(qū)的新場須家河組致密砂巖氣藏，包括須(須家河組)二段—須五段共4段[10]，為源、儲緊鄰，呈“三明治”生-儲-蓋結(jié)構(gòu)[11]。新場須家河組二段頂埋深大于4 600 m，基質(zhì)物性差，孔隙度在2%～5%，為致密-超致密層。在前期儲量勘查、高產(chǎn)裂縫預(yù)測以及后期的開挖施工過程中，都不可避免地會遇到與該區(qū)特殊的巖石力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的問題，因而模擬還原其地下深部高溫高壓環(huán)境、探究其巖石力學(xué)性質(zhì)是十分必要的。本文對須二段致密石英砂巖在設(shè)定的圍壓和溫度下，利用MTS815型多功能電液伺服控制剛性試驗機進行常規(guī)三軸壓縮試驗，結(jié)合高溫高壓環(huán)境下巖石力學(xué)性質(zhì)已有的很多理論上和試驗上的研究成果[12-17]綜合比較分析，得到了在不同溫度和圍壓下須二段致密石英砂巖各力學(xué)參數(shù)的變化原因及規(guī)律。

1 試驗研究

1.1 試樣基本物理性質(zhì)

據(jù)巖石薄片鑒定統(tǒng)計(表1)，須二段砂巖碎屑物以石英為主，含量60%～80%，平均70.4%；長石含量8.6%；巖屑含量10%～30%，平均21%。巖屑成分包括凝灰?guī)r、石英巖、花崗巖、板巖、泥巖、灰?guī)r巖屑等，以沉積巖巖屑為主，千枚巖和石英巖等變質(zhì)巖巖屑次之，火山巖巖屑含量相對較低。膠結(jié)以硅質(zhì)壓結(jié)式膠結(jié)為主。

統(tǒng)計表明[18]，研究區(qū)須家河組儲層基質(zhì)物性較差，孔隙度一般小于7%，少數(shù)孔隙度大于10%；基質(zhì)滲透率也很低，多數(shù)小于0.1×10-3μm2；但如果儲層中有裂縫發(fā)育時，滲透率將急劇增加。須二段儲層物性總體差，砂體基質(zhì)物性致密，平均孔隙度僅3%左右，基質(zhì)滲透率在0.1×10-3μm2左右?？傮w而言，研究區(qū)須家河組儲層物性差，屬低孔隙率致密-超致密儲層。

1.2 試樣制備及設(shè)備

試驗所采用的巖石試樣為取自四川德陽綿竹須家河組二段的致密石英砂巖。從制備的試樣中選取外觀沒有損傷、無節(jié)理裂隙的巖石以備試驗。按國際巖石力學(xué)學(xué)會的要求，試樣規(guī)格為直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，共制試樣50個。

試驗設(shè)備是由成都理工大學(xué)“地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護國家重點實驗室”引進的專門用于巖石及混凝土實驗的MTS815型多功能電液伺服控制剛性試驗機，可在高溫作用下進行巖石、混凝土等材料的單軸壓縮、三軸壓縮、三軸卸荷等實驗，具有多種控制模式，并可在實驗過程中進行多種控制模式間的任意轉(zhuǎn)換，屬當(dāng)前最先進的室內(nèi)巖石試驗設(shè)備。

1.3 試驗方法

須家河組二段地層的分布深度大約為4 600～5 100 m，地層溫度大約為123～136 ℃，地層的壓力大約為73～86 MPa。本著還原和模擬巖石原地質(zhì)環(huán)境的原則，設(shè)置試驗溫度為室溫15 ℃(A組)、40 ℃(B組)、60 ℃(C組)、90 ℃(D組)、130 ℃(E組)和150 ℃(F組)6個設(shè)定溫度，試驗圍壓為無圍壓(1組)、20 MPa(2組)、40 MPa(3組)、60 MPa(4組)、80 MPa(5組)和100 MPa(6組)6種狀態(tài)。不同溫度和圍壓相互組合，共計36次試驗，如40 ℃，40 MPa實驗條件下的試樣編號則為B3。試驗過程分以下3個步驟。

在畢業(yè)典禮上，時任北大黨委書記閔維方教授專門發(fā)來賀信表示祝福。我知道閔書記早年有當(dāng)“礦工”的經(jīng)歷，我知道他理解我們求學(xué)的艱辛，我曾經(jīng)聽過他講述自己的成長經(jīng)歷，鼓勵我們不要怕吃苦，要能在艱苦的環(huán)境中成就自己的人生，要勤奮學(xué)習(xí)、努力拼搏，早日將自己塑造成棟梁之才。

1) 加熱

通過三軸室上3個環(huán)向電阻絲圓盤對三軸室內(nèi)的液壓油加熱，進而液壓油將溫度傳遞給巖石試驗，當(dāng)達到所需試驗溫度時，保持恒溫2 h。試驗達到1.5 h以后，溫度達到平衡，溫差引起的熱應(yīng)變在溫度達到平衡后趨于穩(wěn)定。因此，本次試驗設(shè)計恒溫時間為2 h，能夠保證在試驗加載前試樣充分受到溫度的作用，并完成溫度作用所導(dǎo)致的熱應(yīng)變，以此來模擬地下深部的溫度環(huán)境。

表1 須家河組二段碎屑物及膠結(jié)物含量統(tǒng)計Table 1 Debris and cement contents of T3x2

2) 施加圍壓

以0.5 MPa/s恒定的圍壓加載速率施加圍壓，直至達到預(yù)定圍壓值，停止加壓。

3) 軸向加壓至破壞

以0.1mm/min的恒定應(yīng)變速率對試件施加軸向

2 試樣變形破壞過程及類型分析

圖1為在圍壓一定時，致密石英砂巖試樣經(jīng)歷了15，40，60，90，130和150 ℃共6個設(shè)定溫度后的三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1中可以觀察到，致密石英砂巖在溫度-圍壓共同作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(包括圍壓為0 MPa的單軸壓縮試驗)是一個漸進性逐步發(fā)展的過程，具有明顯的階段性。

圖1 圍壓 (σ3)一定時高溫后致密石英砂巖試樣三軸壓縮全應(yīng)力(σ1-σ3)-應(yīng)變(ε)曲線Fig.1 Complete stress-strain curves of tight quartz sandstone samples in conventional triaxial compression test athigh temperatures and fixed confining pressure(σ3)a.圍壓σ3=0 MPa;b.圍壓σ3=20 MPa;c.圍壓σ3=40 MPa;d.圍壓σ3=60 MPa;e.圍壓σ3=80 MPa;f.圍壓σ3=100 MPa

通過對以上6組36個巖石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試樣破壞方式的歸納總結(jié)，可以將在15～150℃，0～100MPa圍壓下的致密石英砂巖變形破壞劃分為5大類(圖2)。

1) 類型Ⅰ——巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前段主要有2個階段：孔隙裂隙壓密階段(Oa段)和彈性變形階段(ab段)。該類型巖石在彈性階段就達到峰值強度。溫度越高，孔隙裂隙壓密階段的曲線斜率變化越小。此類型的巖石試樣有A1，B1，C1，D1，E1和F1，即單軸壓縮情況下的試樣。該類型試樣為拉張破壞，發(fā)育有多條豎向裂紋，多條貫穿整個試樣，破壞面新鮮、無擦痕(圖3a)。

2) 類型Ⅱ——巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前段主要有3個階段：孔隙裂隙壓密階段(Oa段)、彈性變形階段(ab段)和微裂紋演化至加速發(fā)展階段(bc段)。該類型巖石的屈服階段(bc段)較短。此類型的巖石試樣有A2，A3，B2，B3，C2，C3，C4，D2和D3，即在15～90 ℃及20～40 MPa圍壓條件。該類型試樣以剪切破壞為主，剪切破壞面較為平整，可見擦痕及少量灰白色巖粉(圖3b)。

3) 類型Ⅲ——巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前段主要有2個階段：彈性變形階段(Ob段)和微裂紋演化至加速發(fā)展階段(bc段)。該類型巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有孔隙裂隙壓密階段，并且屈服階段(bc段)較短。此類型的巖石試樣有E2，E3，F(xiàn)2和F3，即在130～150 ℃及20～40 MPa圍壓條件。該類型試樣以剪切破壞為主，剪切破壞面相對不平整，局部可見剪切擦痕，或發(fā)育有其他拉張裂隙，但未貫通(圖3e)。

4) 類型Ⅳ——巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前段同樣有3個階段：孔隙裂隙壓密階段(Oa段)、彈性變形階段(ab段)和微裂紋演化至加速發(fā)展階段(bc段)。該類型曲線與類型Ⅱ類似，區(qū)別在于類型Ⅳ巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的屈服階段(bc段)比較長，且較為平緩。該類型的巖石試樣有A4，A5，A6，B4，B5和B6，即在15～40 ℃及60～100 MPa圍壓條件。該類型以剪脹破壞為主，主破壞面不平整，有明顯的凹凸塊體，擦痕明顯，巖粉很多(圖3d)。

5) 類型Ⅴ——巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前段主要有2個階段：彈性變形階段(Ob段)和微裂紋演化至加速發(fā)展階段(bc段)。類型Ⅴ與類型Ⅲ類似，沒有孔隙裂隙壓密階段，因為試驗溫度及圍壓較高，在溫度及圍壓作用下，巖石內(nèi)部本身的微裂紋在試驗開始前就已被壓密，因而試驗曲線從彈性變形開始。此類型的巖石試樣有C5，C6，D4，D5，D6，E4，E5，E6，F(xiàn)4，F(xiàn)5和F6，即在60～150 ℃及60～100 MPa圍壓條件，屈服階段曲線段較長。該類型以剪切破壞為主，也有部分剪脹破壞，高圍壓作用下，試驗剪切破壞后較破碎，主破壞面較為平整、光滑，擦痕、巖屑、巖粉都很明顯(圖3c)。

圖2 溫度-應(yīng)力作用下致密石英砂巖應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)曲線類型Fig.2 Types of stress-strain curves of tight quartz sandstone samples under combined action oftemperature and confining pressure

圖3 典型試樣破裂面Fig.3 Typical fracture surface of the samplesa類型Ⅰ，拉張破壞；b類型Ⅱ，剪切破壞；c類型Ⅴ，剪切破壞；d類型Ⅳ，剪脹破壞；e類型Ⅲ，剪切破壞

3 致密石英砂巖力學(xué)性質(zhì)與圍壓關(guān)系

從圖4可以觀察到，在15～150 ℃范圍內(nèi)，相同試驗溫度條件下，致密石英砂巖試樣的三軸抗壓強度呈現(xiàn)出隨圍壓增大而增大的特征。在6個設(shè)定溫度15，40，60，90，130和150 ℃條件下，圍壓為0，20，40，60，80和100 MPa時，對應(yīng)的三軸抗壓強度平均值分別為194.04，364.61，469.62，512.26，608.39和720.61 MPa。圍壓由0 MPa增至100 MPa時，試樣的三軸抗壓強度平均值相對于0 MPa時，分別增加了87.90%(20 MPa)，142.025%(40 MPa)，164.00%(60 MPa)，213.54%(80 MPa)和271.32%(100 MPa)。由圖2可知，在不同試驗溫度下，致密石英砂巖試樣的三軸抗壓強度與圍壓的關(guān)系是非線性的，可表示為

(1)

圖4 高溫作用下致密石英砂巖試樣三軸抗壓強度(σS)與圍壓(σ3)關(guān)系Fig.4 Relationship between triaxial compression strength(σS)of tight quartz sandstone samples and confiningpressure(σ3)under high temperatures

圖5 高溫作用下致密石英砂巖試樣彈性模量(E)與圍壓(σ3)關(guān)系Fig.5 Relationship between elastic modulus(E)of tightquartz sandstone samples and confining pressure(σ3)under high temperatures

圖5顯示，致密石英砂巖試樣在6個設(shè)定溫度下，圍壓0，20，40，60，80和100 MPa對應(yīng)的彈性模量平均值分別為22.10，24.49，24.34，24.30，25.49和26.05 GPa。隨圍壓增大，試樣的彈性模量平均值相對圍壓為0 MPa(單軸壓縮)時分別增長了10.85%，10.19%，9.98%，15.34%和17.89%。除圍壓為60 MPa時，因試樣個體差異，彈性模量的平均值有所下降外，總體上呈現(xiàn)出隨圍壓增大而增大的規(guī)律。由于100 MPa還未達到致密石英砂巖的應(yīng)力損傷圍壓，故其力學(xué)參數(shù)未出現(xiàn)明顯下降。

4 致密石英砂巖力學(xué)性質(zhì)與溫度關(guān)系

溫度對致密石英砂巖試樣的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：熱膨脹和熱破裂。巖石內(nèi)部礦物受熱膨脹，使巖石試樣內(nèi)部原本具有的微裂紋被壓密，巖石孔隙減小，使巖石強度強化。同時，組成巖石的礦物有多種，不同巖石礦物的熱膨脹系數(shù)不同，因而礦物晶體顆粒之間產(chǎn)生相互擠壓或拉伸，巖石內(nèi)部各部分之間的變形受到相互牽制，引起巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力，導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂紋擴展、顆粒接觸邊界出現(xiàn)裂紋或者礦物顆粒的破裂，從而產(chǎn)生新的微裂紋，使巖石力學(xué)性質(zhì)劣化。

致密石英砂巖在高溫作用下，由常規(guī)三軸壓縮試驗結(jié)果分析處理可以得到致密石英砂巖試樣粘聚力、內(nèi)摩擦角與溫度的關(guān)系(圖6，圖7)。進一步分析可獲得在圍壓一定時，6個設(shè)定溫度下致密石英砂巖試樣的三軸抗壓強度、彈性模量與溫度的關(guān)系(圖8，圖9)。由圖4—圖7可以觀察分析得到：由于試樣個體差異，圍壓一定時，致密石英砂巖試樣的粘聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量試驗結(jié)果存在一定的離散性，但整體規(guī)律也比較明顯。常規(guī)三軸壓縮條件下，不同試驗溫度作用下，隨試驗溫度升高，60 ℃之前，致密石英砂巖試樣的粘聚力呈二次非線性減小，內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量呈非線性增加；60 ℃之后，試樣的粘聚力呈二次非線性增加，而內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量則呈二次非線性減小。試驗說明，60 ℃附近是溫度-應(yīng)力共同作用條件下巖石力學(xué)性質(zhì)變化的溫度節(jié)點。

圖6 致密石英砂巖試樣粘聚力(C)與溫度(T)關(guān)系Fig.6 Relationship between cohesion(C)of tightquartz sandstone samples and temperature(T)

圖7 致密石英砂巖試樣內(nèi)摩擦角(φ)與溫度(T)關(guān)系Fig.7 Relationship between internal friction angle(φ)of tight quartz sandstone samples and temperature(T)

圖9 致密石英砂巖試樣彈性模量(E)與溫度(T)關(guān)系Fig.9 Relationship between elastic modulus(E)of tightquartz sandstone samples and temperature(T)

致密石英砂巖試樣的內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度平均值和彈性模量平均值分別由15 ℃的38.65°，411.08 MPa和23.01 GPa增加到60 ℃時的47.59°，500.72 MPa和24.83 GPa，增幅分別為23.13%，21.81%和7.90%；而粘聚力則由52.64 MPa下降到41.54 MPa，下降了21.08%。當(dāng)試驗溫度升至150 ℃時，相對于室溫(15 ℃)試樣的內(nèi)摩擦角、粘聚力、三軸抗壓強度平均值和彈性模量平均值分別增加至44.70°，53.56 MPa，505.16 MPa和24.59 GPa，增幅分別為15.68%，1.74%，22.89%和6.85%。

5 結(jié)論

1) 圍壓一定時，致密石英砂巖試樣在不同溫度作用下，常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服和破壞4個階段。

2) 在15～150 ℃范圍內(nèi)，常規(guī)三軸壓縮試驗在試驗溫度相同的條件下，致密石英砂巖試樣的三軸抗壓強度在總體趨勢上呈現(xiàn)出隨圍壓增大而增大的特征。除圍壓為60 MPa時，因試樣個體差異，彈性模量的平均值有所下降外，總體上呈現(xiàn)出隨圍壓增大而增大的規(guī)律。由于100 MPa還未達到致密石英砂巖的應(yīng)力損傷圍壓，故其力學(xué)參數(shù)未出現(xiàn)明顯下降。

3) 圍壓一定時，試驗得到的致密石英砂巖試樣的粘聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量具有較大的離散性，但整體仍具有一定的規(guī)律性。常規(guī)三軸壓縮條件下，不同試驗溫度作用下，隨試驗溫度升高，60 ℃之前，致密石英砂巖試樣的粘聚力呈二次非線性減小，內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量呈非線性增加；60 ℃之后，試樣的粘聚力呈二次非線性增加，而內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強度及彈性模量則呈二次非線性減小。60 ℃附近是溫度-應(yīng)力共同作用條件下巖石力學(xué)性質(zhì)變化的溫度節(jié)點。

4) 在0～100 MPa圍壓范圍，15～150 ℃溫度范圍內(nèi)，致密砂巖試樣變形破壞類型取決于溫度和圍壓，圍壓對巖石強度的影響程度大于溫度，可大致分為5種類型。隨著圍壓的增大，巖石從拉張破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。圍壓較低時，巖石為拉張破壞，豎向節(jié)理裂隙較多，并伴有一定數(shù)量的橫向裂隙，主破壞面上有許多微小的次生裂紋，巖石試樣被裂隙切割分成多個條塊狀巖塊。圍壓較高時，主破壞面為斜向剪切面，圍壓越高，剪切面越平整，剪切面上擠壓摩擦強烈，擦痕清楚可見，并有很多灰白色的巖石礦物形成的巖粉，有滑膩感，主控裂隙面上的次生裂紋比較少，但主控裂隙面在試樣表面的出露跡線的兩端有次生分支裂紋。試樣內(nèi)有水平層理時，在低溫高圍壓條件下變形破壞時，會產(chǎn)生較大的塑性變形。

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