巖石脆性研究現(xiàn)狀

【摘 要】 巖石的脆性脆性是一種非常重要的性質(zhì)，在巖體工程的穩(wěn)定性、安全性評價以及儲層油氣開采等領(lǐng)域中有非常重要的意義。目前，對于巖石脆性的研究并不完善，脆性的定義尚無一種讓大多數(shù)人認同的說法，巖石脆性評價也沒有一種統(tǒng)一的方法。本文從巖石脆性的定義、巖石脆性評價方法、巖石脆性的應(yīng)用三個方面對巖石的脆性研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，并提出了一些自己的相關(guān)看法，期望對后續(xù)研究者的研究有所幫助。

【關(guān)鍵詞】 巖石脆性 評價方法 脆性指數(shù)

1引言

巖石的脆性在巖石力學中是一個重要的指標，主要指巖石受到微小的形變就會開始破壞，

其反映了荷載作用下巖石的變形以及破裂特性，在巖體工程穩(wěn)定性評價以及儲層油氣開采等領(lǐng)域中有重要意義。目前對巖石脆性的研究有了很豐富的成果，包括巖石脆性的定義、評價方法以及巖石脆性性質(zhì)在工程實際中的應(yīng)用等。本文對巖石脆性研究的一些現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，并提出一些自己的觀點。

2 巖石脆性的定義

對于巖石的脆性，在巖石力學并沒有一個標準的定義，很多領(lǐng)域的學者對巖石的脆性進行了不同的定義。巖石的脆性在很多領(lǐng)域都有重要的作用，但脆性如何應(yīng)用到實際應(yīng)用中去，也是極其重要。脆性指數(shù)是描述巖石脆性的一個指標，通過脆性指數(shù)，便可以將脆性應(yīng)用到實際應(yīng)用中去，而脆性指數(shù)則需要脆性評價方法來求出，因此，適用的巖石脆性指數(shù)的評價方法，是研究巖石脆性的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外學者提出了大量的巖石脆性評價方法，但這些方法大多針對具體問題提出，適用于不同學科，尚未建立標準測試方法[1]。目前，實驗室對于巖石脆性的評價方法，主要有基于應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評價方法、基于強度的脆性評價方法以及基于硬度或堅固性的脆性評價方法[2]。

3 巖石脆性評價方法

基于應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評價方法，主要是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一些性質(zhì)來評價巖石的脆性。A.W.Bishop提出了一種基于峰值強度和殘余強度的脆性指數(shù)，認為脆性指數(shù)等于峰值強度減去殘余強度在取峰值強度的比值。V.Hucka和B.Das認為，脆性的每個概念都應(yīng)該是根據(jù)其實際用途單獨處理和使用，并提出了一種基于能量比的脆性。

基于強度的脆性評價，主要通過抗拉強度和抗壓強度來評價脆性。V.Hucka和B.Das對各種脆性概念進行了分析，研究了脆性物質(zhì)有關(guān)的各種現(xiàn)象，提出了基于抗壓強度和抗拉強度的巖石脆性評價指標和。

基于硬度或堅固性的脆性評價，主要是通過巖石的物理性質(zhì)來評價。H.Honda和Y.Sanada用宏觀硬度和微觀硬度之間的差異來。B.R.Lawn和.B.Marshall用硬度與斷裂韌性的比值來表示脆性指數(shù)。J.B.Quinn和G.D.Quinn認為硬度與脆性是相互關(guān)聯(lián)的，硬度又受到樣品變形和斷裂過程的影響，于是提出一種由硬度、斷裂韌性、彈性模量構(gòu)成的脆性指數(shù)。M.M.Protodyakonov用小于0.60mm的碎屑百分比和抗壓強度的乘積來表示脆性指數(shù)。

3.4 其他脆性評價方法

除了上述常規(guī)的評價方法，一些較新穎的評價方法對巖石脆性評價也能較好的對巖石的脆性進行評價。周雪晴、張占松等將石英與巖屑含量同長石含量的比值作為成巖作用的分類指標，將研究區(qū)致密砂巖儲層分為Ⅰ類和Ⅱ類成巖作用儲層;最終提出基于礦物組分和成巖作用的致密砂巖儲層脆性評價方法，并建立了相應(yīng)的脆性指數(shù)評價模型[3]。陳昀、金衍等以巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ)，采用能量法來進行儲層巖石脆性評價.通過計算本征內(nèi)聚力與前端區(qū)穩(wěn)態(tài)阻力比值來表征儲層巖石的脆性指數(shù).并提出能量耗散相對越大，巖石的脆性指數(shù)越低[4]。

4 巖石脆性的應(yīng)用

4.1 巖石脆性破壞特征

脆性巖石的破壞有迅速、形變小、難以察覺等特點，因此，判斷巖石脆性破壞前的征兆，以及巖石脆性破壞前、破壞時的一些特點，對巖石脆性的研究和巖石脆性在工程實際中的應(yīng)用有非常重要作用。涂杰楠等分析認為巖石破裂前視電阻率突變所對應(yīng)的應(yīng)力與巖石體應(yīng)變膨脹點有對應(yīng)關(guān)系，并且和巖石峰值應(yīng)力比值近似在75%左右[5]。陳竑然等人認為Weibull分布形狀參數(shù)m，可作為衡量巖石脆性破壞程度的指標[6]。孫強、薛曉輝等認為，伴隨著變形與破裂的發(fā)展，巖石出現(xiàn)聲發(fā)射信號激增，電磁輻射強度增加，紅外輻射加大等特征，對這些特征進行相關(guān)物理參數(shù)的測試，可以獲得巖石脆性臨界破壞的相關(guān)信息[7]。由此可知，目前對巖石脆性破壞特征的研究并不多，研究切入點主要從能量、電阻率、聲波、輻射等方面，后續(xù)可以從這些方面進行更加深入的研究或者尋找其他切入點進行研究。

4.2 巖石脆性應(yīng)用實例

劉泉聲、劉建平等人分析了巖石脆性指標對滾刀破巖效率的影響，通過滾刀貫入試驗，引入歸一化比能概念，得出結(jié)論，隨著脆性的增高，歸一化比能降低，滾刀破巖效率增高[8]。馮濤、謝學斌等人提出，巖石是否發(fā)生脆性破壞，決定著是否發(fā)生巖爆，脆性系數(shù)能很好地描述巖石的脆性，并且隨著巖石脆性指數(shù)的增加，巖石發(fā)生巖爆的傾向也隨之增加[9]。郭旭光、牛志杰等人通過對巖石脆性的研究，利用疊前同步反演預(yù)測了吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油所在區(qū)“甜點體”脆性分布，根據(jù)預(yù)測結(jié)果部署的水平井體積壓裂后獲得高產(chǎn)[10]。

5 討論與結(jié)論

本文從脆性的定義、巖石的脆性評價方法、巖石脆性破壞的特征、巖石脆性的在工程中的應(yīng)用這幾個方面對巖石脆性這一個大方向的研究進行了總結(jié)，以此對巖石脆性領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行了分析，最后有了這些認識：

（1）對于巖石脆性的定義，我們不能片面說某個定義是正確或者錯誤的，只是它們分析的角度不同而已。但是作為巖石的一個重要的性質(zhì)，一個能夠被廣泛接受的定義的提出是必要的，筆者認為，要想制定一個廣泛認同的脆性定義，需要綜合各領(lǐng)域?qū)τ诖嘈蕴匦缘墓餐?，從中選出一個較合理的方向來定義脆性，這種定義或許可以讓廣大研究者比較認同。

（2）對于巖石脆性的評價，筆者只收集了一些常見的評價方法，還有很多好的評價方法本文并未涵蓋。文中提到的評價方法各有優(yōu)缺點，第一種能反映脆性破壞的整體特征，但是卻有一定的局限性;第二種在使用的領(lǐng)域適用性較好，但測量結(jié)果可能會出現(xiàn)差異;而對于礦物組成法，僅僅考慮了礦物組成，脆性指數(shù)也會有一定誤差，但在后面學者的改進型中，加入了影響指數(shù)，使得結(jié)果精確度得到提高;最后一種基于能量的評價方法，是一種較新穎的方法，綜合了巖石的破壞的整個過程評價結(jié)果，在一般情況下能較好反映巖石的脆性。綜上，對于巖石的評價，雖然沒有一種通用、被廣泛認同的方法，但是基于各個方面的各種評價方法，在各自的領(lǐng)域都已經(jīng)能夠較好的對巖石脆性進行評價。后續(xù)的研究者也應(yīng)該繼續(xù)前進讓巖石脆性的評價更規(guī)范、更可靠。

（3）巖石的脆性的應(yīng)用在致密油氣的開發(fā)，工程施工中巖爆的預(yù)測以及預(yù)防，還有地震的預(yù)測幾個方面應(yīng)用較多，在資源開發(fā)，工程安全等方面起到了巨大的作用。另外，在其他領(lǐng)域，巖石脆性也許也會發(fā)揮一定的作用。比如，在工程建設(shè)方面，巖石的脆性是否會影響到工程的耐久性;在溫差較大的地區(qū)，巖石脆性與工程建筑安全之間的關(guān)系;巖石的脆性與工程疲勞強度的關(guān)系等。雖然巖石的脆性在巖石力學的研究中并不太顯眼，但是并不能忽視其在工程實際中的應(yīng)用。

【參考文獻】

[1] 刁海燕.泥頁巖儲層巖石力學特性及脆性評價[J].巖石學報，2013，29（9）：344-350.

[2] 李慶輝，陳勉，金衍，等.頁巖脆性的室內(nèi)評價方法及改進[J].巖石力學與工程學報，2012，31（8）：1860-1865.

[3] 周雪晴，張占松，張超謨，等.基于礦物組分和成巖作用的致密砂巖儲層脆性評價方法——以鄂爾多斯盆地東北部某區(qū)塊為例[J].油氣地質(zhì)與采收率，2017，24（5）：10-16.

[4] 陳昀，金衍，陳勉.基于能量耗散的巖石脆性評價方法[J].力學學報，2015，47（6）：984-993.）

[5] 涂杰楠，孫強，姜志海，等.巖石脆性臨界破壞視電阻率變化與應(yīng)力比[J].煤炭學報，2013，38（2）：221-225.

[6] 陳竑然，秦四清，薛雷，等.巖石脆性破壞表征與Weibull分布適用范圍[J].地球物理學進展，2017，32（5）：2200-2206.

[7] 孫強，薛曉輝，朱術(shù)云.巖石脆性破壞臨界信息綜合識別[J].固體力學學報，2013，34（3）：311-319.

[8] 劉泉聲，劉建平，時凱，等.評價巖石脆性指標對滾刀破巖效率的影響[J].巖石力學與工程學報，2016，35（3）：498-510.

[9] 馮濤，謝學斌，王文星，等.巖石脆性及描述巖爆傾向的脆性系數(shù)[J].礦冶工程，2000，20（4）：18-19.

[10] 郭旭光，牛志杰，王振林，等.巖石脆性預(yù)測在吉木薩爾凹陷致密油勘探中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探，2015，51（3）：592-598.

作者簡介：曹誠，1993，男，四川省武勝縣。在讀研究生，港口、海岸近海工程。重慶交通大學，重慶市南岸區(qū)學府大道66號。