石油工程巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)研究現(xiàn)狀綜述與建議

陳軍斌，李 帥，王漢青，姚歡迎，聶向榮，龔迪光

(1.西安石油大學(xué)陜西省油氣井及儲(chǔ)層滲流與巖石力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

0 引 言

巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)指同類巖石不同尺度的巖樣，其強(qiáng)度和變形特征存在顯著差異。石油與天然氣埋存于地下巖石中，要獲取地下油氣資源，必須依賴鉆井和儲(chǔ)層改造，這實(shí)質(zhì)上是對(duì)儲(chǔ)層的一種力學(xué)行為，要保證施工的高效和安全就必須清楚認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層巖石的力學(xué)性質(zhì)[1-2]。地下巖石作為一種非均質(zhì)性、各向異性、不連續(xù)性極強(qiáng)的儲(chǔ)集體，其強(qiáng)度與變形存在顯著的尺度效應(yīng)，致使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)巖樣力學(xué)測(cè)試結(jié)果既不能用于表征巖石細(xì)觀尺度下巖屑礦物的力學(xué)性質(zhì)，也不能表征工程范圍的礦場(chǎng)大尺度巖體力學(xué)性質(zhì)，這給儲(chǔ)層鉆井和壓裂施工時(shí)施工參數(shù)的選擇和施工效果的預(yù)測(cè)帶來巨大困難[3-4]。

目前，直接對(duì)儲(chǔ)層巖體力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的方法有人工微震法、水壓致裂法和井壁崩落法等，但均存在測(cè)試?yán)щy、精確度低、數(shù)據(jù)量少、成本高等缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)局限性很大。為此，探究巖石跨尺度力學(xué)性質(zhì)表征方法，即探究巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律成為了預(yù)測(cè)礦場(chǎng)大尺度巖體力學(xué)性質(zhì)的重要手段[5-6]。目前，基于巖石跨尺度力學(xué)理論來預(yù)測(cè)礦場(chǎng)大尺度巖體力學(xué)性質(zhì)的途徑主要有三種：一是基于室內(nèi)小尺度范圍的巖石跨尺度力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合跨尺度力學(xué)理論得到其他尺度下巖石力學(xué)性質(zhì)；二是基于數(shù)值模擬技術(shù)，通過對(duì)網(wǎng)格的合理劃分、微觀缺陷的準(zhǔn)確描述等，基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，模擬得到不同尺度下巖石力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律；三是基于巖石在細(xì)觀尺度下的破壞機(jī)制和影響因素，從細(xì)觀-宏觀力學(xué)理論角度得到巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)模型[7-9]?；谏鲜鋈N方法，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)規(guī)律做了大量的研究工作，其成果可以概括為三方面：巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)根源、巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律、巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)影響因素。本文從這三個(gè)方面綜述近年來關(guān)于巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的研究進(jìn)展，并結(jié)合當(dāng)前石油工程領(lǐng)域的需求，對(duì)未來巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的研究方向提出建議。

1 巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)根源研究現(xiàn)狀

巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)指同類巖石不同尺寸的巖樣，其抗壓強(qiáng)度存在顯著差異。傳統(tǒng)的關(guān)于巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)根源認(rèn)識(shí)主要有兩種。①巖石非均質(zhì)性是巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的根源。該觀點(diǎn)認(rèn)為巖石由非均質(zhì)骨架和微缺陷(微裂隙、弱結(jié)構(gòu)面等)組成，巖樣尺寸的增加使其內(nèi)部出現(xiàn)大缺陷的數(shù)量和概率增大，進(jìn)而造成巖石強(qiáng)度表現(xiàn)出尺度效應(yīng)。②端部摩擦作用是巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的根源。該觀點(diǎn)認(rèn)為巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)是巖樣與加載壓頭間的端部摩擦力造成的，若摩擦力消失，巖石強(qiáng)度將不存在尺度效應(yīng)。本文在對(duì)上述觀點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的根源提出了新觀點(diǎn)，以供同類研究參考。

1.1 巖石非均質(zhì)性

非均質(zhì)性是巖石固有屬性，基于巖石非均質(zhì)性來解釋巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)根源的主要理論有：Weibull脆性破壞強(qiáng)度理論、Griffith微裂紋強(qiáng)度理論、分形損傷理論和應(yīng)變局部化理論等，上述理論均可在一定程度上解釋巖石強(qiáng)度出現(xiàn)尺度效應(yīng)的原因。

1.1.1 Weibull脆性破壞強(qiáng)度理論

Weibull脆性破壞強(qiáng)度理論的基本假設(shè)是最弱鏈假設(shè)，該假設(shè)認(rèn)為巖石由若干強(qiáng)度不同的鏈構(gòu)成，巖石的破壞取決于巖石中強(qiáng)度承載能力最弱的單元，一旦最弱單元破壞，就會(huì)造成巖石整體破壞[10]。Weibull脆性強(qiáng)度理論中，鏈與鏈間強(qiáng)度分布的差異代表了巖石的非均質(zhì)性特征，該理論假設(shè)巖石各向同性、最弱單元隨機(jī)分布，且?guī)r石內(nèi)部各處出現(xiàn)最弱單元的概率相同，當(dāng)巖樣尺度增大時(shí)，其內(nèi)部最弱單元出現(xiàn)的概率和數(shù)目相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度降低。有學(xué)者[11-12]基于Weibull脆性破壞理論得到巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型，見式(1)。

(1)

式中：PA和VA分別為標(biāo)準(zhǔn)參考樣(Φ25 mm×H50 mm，Φ50 mm×H100 mm等)的強(qiáng)度和體積；PB和VB為任意尺度巖樣的強(qiáng)度和體積；m為Weibull模量，表征巖石非均質(zhì)度，m越大，巖樣越均勻，當(dāng)m不隨巖樣尺度變化時(shí)，K為定值，此時(shí)巖樣強(qiáng)度與體積呈冪律函數(shù)關(guān)系。

室內(nèi)研究巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律時(shí)，巖樣形狀選擇較為豐富，主要包括長方體和圓柱體，而圓柱體又可分為兩個(gè)系列：①高徑比相同，尺度不同；②截面積相同，高度不同。以橫截面積相同，高度不同的圓柱體為例，如圖1所示，其中，hA、hB為巖樣高度，dA、dB為巖樣直徑。

圖1 橫截面積相同、高度不同的巖樣Fig.1 Samples with the same cross-sectional are nd different heights

以巖樣A作為標(biāo)準(zhǔn)樣，則由式(1)得到巖樣B的強(qiáng)度，計(jì)算見式(2)。

(2)

由于巖樣A是標(biāo)準(zhǔn)參考樣，其強(qiáng)度PA為定值，則在Weibull模量m不隨巖樣尺度變化時(shí)，K為定值，則Q也為定值，由此可見，巖樣B的強(qiáng)度PB與巖樣高度hB為冪律函數(shù)關(guān)系。其他類型的巖樣依據(jù)式(1)同樣可以得到其強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型。

Weibull脆性破壞強(qiáng)度理論的基本假設(shè)使得該理論對(duì)于砂巖等非均質(zhì)性相對(duì)較弱、結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻、細(xì)觀缺陷分布規(guī)律性強(qiáng)的儲(chǔ)層巖石具有良好的適用性，但對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)、微觀缺陷分布無規(guī)律的巖石，該理論適用性較差，如我國四川地區(qū)和新疆地區(qū)廣泛分布的碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層，這類儲(chǔ)層內(nèi)溶孔、溶洞、微裂隙等缺陷極為發(fā)育且分布規(guī)律性差，同樣還有我國四川盆地的海相頁巖和鄂爾多斯盆地的陸相頁巖，其層理結(jié)構(gòu)發(fā)育，局部裂縫發(fā)育，非均質(zhì)性和不連續(xù)性也極強(qiáng)，對(duì)于上述兩類儲(chǔ)層，Weibull脆性破壞強(qiáng)度理論應(yīng)用時(shí)效果相對(duì)較差。

1.1.2 Griffith微裂紋強(qiáng)度理論

Griffith微裂紋強(qiáng)度理論認(rèn)為巖石內(nèi)部微裂紋起裂和擴(kuò)展的動(dòng)力是巖石彈性變形所累積的應(yīng)變能，尺度越大的巖樣，內(nèi)部微缺陷數(shù)量越多，進(jìn)而導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度越低[13]。巖樣內(nèi)缺陷的不均勻分布、延伸、擴(kuò)展造成了巖石的非均質(zhì)性特征。當(dāng)有外力載荷F作用于巖樣時(shí)，巖石受力變形產(chǎn)生ΔL/L的應(yīng)變，此時(shí)巖石內(nèi)部由于外界做功，累積了應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)變能達(dá)到閾值時(shí)，巖樣內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生裂紋，假設(shè)巖樣發(fā)生ΔL的變形時(shí)，產(chǎn)生的裂紋長度為2c，如圖2所示，此時(shí)利用能量守恒和做功原理便可得到巖樣強(qiáng)度與裂紋長度關(guān)系。

圖2 單軸壓縮時(shí)微裂紋擴(kuò)展過程Fig.2 Microcrack growth process unde niaxial compression

武鵬飛[14]基于Griffith微裂紋強(qiáng)度理論得到了裂紋長度與巖樣所受外力的關(guān)系式，即巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型，計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：E為巖石彈性模量；γ為單位面積的斷裂表面能；c為裂紋半長。對(duì)于同類巖石，當(dāng)E、γ不隨巖樣尺度變化時(shí)，巖樣強(qiáng)度與裂紋長度具有明顯的冪律函數(shù)關(guān)系。

Griffith微裂紋強(qiáng)度理論在解釋巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)時(shí)假設(shè)巖石彈性模量E與巖樣尺寸無關(guān)，但實(shí)際巖石的彈性模量E也是與巖石尺寸相關(guān)的物理量，因此，式(3)在混凝土等脆性材料上具有良好的適用性，對(duì)于深部-超深部儲(chǔ)層、鹽膏層、軟質(zhì)泥頁巖等塑性較強(qiáng)的儲(chǔ)層巖石中，該理論適用性較差。

1.1.3 分形損傷理論

巖石由于沉積、構(gòu)造等作用影響，內(nèi)部存在大量微缺陷，相對(duì)于無損材料，這些微缺陷被稱為巖石的損傷。DOUGIL[15]認(rèn)為巖石缺陷的分布往往具有良好的分形特征，巖石損傷的無規(guī)律分布造成了巖石的非均質(zhì)特征。基于分形損傷理論的巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)理論認(rèn)為，尺度越大的巖樣，其內(nèi)部的缺陷數(shù)目越多，巖石強(qiáng)度越低。 楊友卿[16]基于巖石分形損傷理論得到了巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型，計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：σL1和σL2為長度L1和L2的巖樣的抗壓強(qiáng)度；D為巖樣損傷變量，表征巖石內(nèi)缺陷(微裂紋、空隙等)體積占整個(gè)巖樣體積的百分比，D值越大，代表巖樣缺陷數(shù)量越多。

當(dāng)損傷變量D變化時(shí)，依據(jù)式(4)可得到巖樣強(qiáng)度的尺度效應(yīng)規(guī)律，見圖3[16]。

圖3 巖樣強(qiáng)度隨尺度的關(guān)系(D為損傷變量)Fig.3 The relationship between strength and scale o ock sample(D is the damage variable)

由圖3可知，對(duì)于不同損傷的巖樣，其強(qiáng)度總是隨尺度增加而減小的。分形損傷理論在解釋巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)時(shí)假設(shè)不同尺度的巖石，其損傷分布具有良好的分形特征，這既是該理論的優(yōu)勢(shì)，也是其應(yīng)用時(shí)的局限所在，常規(guī)砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征明顯，但碳酸鹽儲(chǔ)層、頁巖儲(chǔ)層等分形特征較差。

1.1.4 應(yīng)變局部化理論

應(yīng)變局部化理論認(rèn)為巖石在外力加載過程中，形成了一個(gè)應(yīng)變集中區(qū)，巖石最終的破壞是由于應(yīng)變集中區(qū)的失穩(wěn)而造成的。巖石應(yīng)變局部化的根本原因在于巖石的非均質(zhì)性，尺度越大的巖樣，其內(nèi)部缺陷的數(shù)量和尺度越大，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低[17]。基于巖石應(yīng)變局部化理論，王學(xué)濱等[18-19]利用巖石剪切應(yīng)變塑性模型得到了巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)模型，計(jì)算見式(5)。

ε=

(5)

對(duì)式(5)等號(hào)兩邊同乘E，即得到基于巖石應(yīng)變局部化理論的強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型，計(jì)算見式(6)。

A=εE，

(6)

巖石非均質(zhì)性是巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)根源這一觀點(diǎn)得到了多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可[20-23]，但也有學(xué)者通過試驗(yàn)后認(rèn)為，巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)是由巖石試件與加載壓頭間的端部摩擦效應(yīng)造成的[24-28]。

1.2 端部摩擦效應(yīng)

部分學(xué)者認(rèn)為巖樣在外力加載過程中，壓頭與巖樣之間的橫向摩擦力是造成巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的根源，與巖石本身的非均質(zhì)性無關(guān)。其依據(jù)在于：在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)在壓頭與巖樣之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p摩措施后，巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)將不再明顯或消失[24,28]；當(dāng)利用RFPA2D、ABAQUS、FLAC3D等有限元軟件對(duì)不同尺度的巖樣進(jìn)行軸向加載時(shí)發(fā)現(xiàn)，若將巖樣試件與加載壓頭間的端面摩擦系數(shù)設(shè)為0，則巖樣強(qiáng)度與巖樣尺寸無關(guān)[25-27]。

目前，關(guān)于巖石端部摩擦作用與強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型還較少，原因有以下幾點(diǎn)。①端部摩擦力計(jì)算復(fù)雜。壓頭與巖樣之間為動(dòng)態(tài)接觸，巖石屈服段復(fù)雜的非線性變形以及端部摩擦力對(duì)巖石橫向變形的復(fù)雜作用都使得端部摩擦力的計(jì)算存在較大困難。②端部摩擦力對(duì)巖石橫向變形的影響范圍難以確定。端部摩擦效應(yīng)會(huì)影響巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布和橫向變形，但具體影響的范圍和大小都難以定量表征。③端部摩擦力影響因素眾多。巖石性質(zhì)、壓頭性質(zhì)、端面特征、加工精度等均會(huì)對(duì)端部摩擦力產(chǎn)生影響。

1.3 討論

長期以來，巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的根源一直未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。但隨著實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到巖石非均質(zhì)性和端部摩擦效應(yīng)均會(huì)對(duì)巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生影響。前人在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬過程中觀察到，巖樣在受到軸向應(yīng)力加載時(shí)，其端部摩擦作用的存在是毋庸置疑的，且這種摩擦力的作用效果可以等效為巖樣端部受到“圍壓”的作用，見圖4[29-32]。

圖4 巖石單軸壓縮時(shí)的端部摩擦作用效果Fig.4 End friction effect of rock unde niaxial compression

由圖4可知，端部效應(yīng)所造成的“圍壓”作用主要集中在壓頭與巖樣的接觸面附近，離接觸面越遠(yuǎn)，這種作用越弱，在巖樣中部，端部摩擦作用的影響是最弱的。對(duì)于小尺度巖樣，由于巖樣與試件之間的接觸面積大，所以端部摩擦作用所造成的“圍壓”較大，“圍壓”的存在使得巖樣內(nèi)部微裂隙閉合，進(jìn)而抵抗外力破壞的能力增強(qiáng)，所以巖樣的測(cè)試強(qiáng)度會(huì)比實(shí)際強(qiáng)度要大，但隨著巖樣尺度的增加，端部摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的“圍壓”由于數(shù)值本身較小且作用范圍有限，其對(duì)強(qiáng)度的影響越來越弱，當(dāng)尺度增加到一定值時(shí)，巖樣的端部摩擦作用幾乎可以忽略。此后，對(duì)巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)起主導(dǎo)作用的是巖石的非均質(zhì)性，此時(shí)由于巖樣尺度增大，巖石內(nèi)出現(xiàn)大的微裂隙、微裂紋等缺陷的數(shù)量和概率均增加，使得巖石強(qiáng)度隨尺度的增大而減小。在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一定范圍尺度的巖樣強(qiáng)度出現(xiàn)了較高離散性和無規(guī)律性，這是由于該尺度正處于該類巖石的“大尺度”和“小尺度”過渡階段。因此可以認(rèn)為，巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)是由端部摩擦和非均質(zhì)性共同決定的，對(duì)于小尺度巖樣，巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)主要由端部摩擦效應(yīng)造成，對(duì)于大尺度巖樣，巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)主要由自身非均質(zhì)造成。學(xué)者們?cè)谘芯窟^程中之所以得出不同的結(jié)論是其對(duì)巖樣尺度“量級(jí)”的認(rèn)識(shí)和選擇不同。

2 巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

2.1 巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律對(duì)于工程巖體強(qiáng)度值的確定具有重要意義。但學(xué)者們對(duì)于巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的規(guī)律既存在共識(shí)，又存在分歧。共識(shí)在于幾乎所有類型的巖石強(qiáng)度均存在尺度效應(yīng)問題，分歧在于以下幾方面。①對(duì)強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不同。TANG等[33]、王謙源等[34]、王連山等[35]認(rèn)為巖石強(qiáng)度隨尺寸的增大而減小；陳鵬等[36]、張后全等[22]認(rèn)為巖石強(qiáng)度隨尺寸的增大而增大;路新景等[37]認(rèn)為巖石強(qiáng)度隨尺度是先增大后減小等。②強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型認(rèn)識(shí)不同。目前關(guān)于巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)的模型多種多樣，楊圣奇等[24]提出了指數(shù)型的巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型;楊友卿[16]、王連山等[35]提出了對(duì)數(shù)型的巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型;黃興益等[38]提出了冪指數(shù)型的巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型等。

2.2 巖石變形尺度效應(yīng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

巖石變形與破壞特征和巖樣尺寸密切相關(guān)，相較于巖石強(qiáng)度的尺度效應(yīng)，學(xué)者們對(duì)巖石變形與破壞的尺度效應(yīng)規(guī)律研究較少，研究成果也未形成一致認(rèn)識(shí)，主要表現(xiàn)在以下幾方面。①巖石變形尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不同。以巖石彈性模量尺度效應(yīng)為例，楊圣奇等[24]、張明等[39]認(rèn)為巖石彈性模量不存在尺度效應(yīng);陳瑜等[40]認(rèn)為巖石彈性模量隨巖樣尺度增大而增大;王謙源等[34]、陳鵬等[36]認(rèn)為巖石彈性模量隨巖樣尺度增大而減小。此外，學(xué)者們關(guān)于巖石泊松比、峰后變形等的尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)也存在較大差異。②巖石破壞模式尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不同。王連山等[35]認(rèn)為巖石由于端部摩擦作用的存在使得室內(nèi)小尺度巖樣的破壞形式復(fù)雜，不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但隨著巖樣尺度的增大，巖石的破壞模式逐漸呈拉伸和剪切破壞;路新景等[37]認(rèn)為巖石的破壞模式與巖樣尺度無關(guān)，均為剪切破壞。

2.3 討論

學(xué)者們對(duì)于巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律出現(xiàn)巨大分歧的原因，可以從兩個(gè)角度去解釋。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)角度

①目前在巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律探究時(shí)，所應(yīng)用到的巖石的類型、測(cè)試條件、加載方式等存在較大差異，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，致使學(xué)者們對(duì)巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不同；②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)過少，實(shí)驗(yàn)巖樣尺寸選擇不合理、尺度跨越范圍小等都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論的片面性，從而導(dǎo)致對(duì)巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)認(rèn)識(shí)出現(xiàn)差異；③過于追求與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高擬合度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停雎詫?duì)巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的機(jī)理認(rèn)識(shí)?？绯叨鹊膸r樣力學(xué)性質(zhì)測(cè)試是探究巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的常見手段，但為了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的擬合度，所建立的模型往往缺乏理論依據(jù)，也導(dǎo)致模型多種多樣，缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

2.3.2 理論角度

在研究巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)時(shí)，學(xué)者們所應(yīng)用的理論存在較大差異。如前文基于巖石非均質(zhì)性認(rèn)識(shí)，應(yīng)用Weibull脆性破壞理論、Griffith微裂紋強(qiáng)度理論、分形損傷理論、應(yīng)變局部化理論等得到的式(1)、式(3)、式(4)和式(6)所示的巖石強(qiáng)度尺度效應(yīng)模型是完全不同的，則對(duì)于同一組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果而言，各模型的適用性必然存在巨大差異，準(zhǔn)確性不一。

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的規(guī)律，學(xué)者們還尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，因此在頁巖氣、煤層氣等新型儲(chǔ)層工程巖體參數(shù)預(yù)測(cè)時(shí)，不能照搬現(xiàn)有的強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)模型，必須以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，優(yōu)選出準(zhǔn)確性高、操作性強(qiáng)的強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)模型。從研究成果來說，目前對(duì)巖石變形和破壞的尺度效應(yīng)規(guī)律研究較少，還缺乏深入認(rèn)識(shí)，對(duì)礦場(chǎng)指導(dǎo)性不強(qiáng)。然而對(duì)儲(chǔ)層巖體而言，其變形與破壞特征對(duì)于油氣開采管柱選擇、壓裂施工參數(shù)設(shè)定和壓后裂縫效果評(píng)價(jià)都具有重要影響，因此，必須對(duì)儲(chǔ)層巖石變形和破壞特征的尺度效應(yīng)進(jìn)行深入系統(tǒng)的探究，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3 巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)影響因素研究現(xiàn)狀

巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)存在分歧，本質(zhì)上是由于其影響因素眾多。按照影響方式可將影響因素分為內(nèi)因和外因，其中內(nèi)因包括巖石類型、非均質(zhì)度等，外因包括測(cè)試儀器精度、巖樣加工精度、樣品數(shù)量、實(shí)驗(yàn)尺度等，概括如下所述。

1) 巖石類型。不同類型的巖石，如頁巖、煤巖等，由于沉積環(huán)境、埋存環(huán)境等的差異，巖石細(xì)觀尺度的礦物組成、顆粒膠結(jié)方式、缺陷分布和數(shù)量等差異顯著，從而導(dǎo)致巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)差異顯著。

2) 非均質(zhì)度。非均質(zhì)是天然巖石的固有屬性，巖石非均質(zhì)性越強(qiáng)，其強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)現(xiàn)象越明顯。

3) 巖樣尺度。研究巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)是跨尺度，然而有的學(xué)者實(shí)驗(yàn)尺度在毫米級(jí)，有的學(xué)者實(shí)驗(yàn)尺度在米級(jí)，巖樣實(shí)驗(yàn)尺度的差異或尺度跨度太小都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

4) 巖樣形狀。同類巖石同直徑不同高度和幾何相似兩種尺度變化方式所得到的巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)規(guī)律存在差異。

5) 儀器精度。極少看到本研究領(lǐng)域?qū)W者們利用同一臺(tái)或同一型號(hào)的巖石試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，但巖樣加載過程中，試驗(yàn)機(jī)的加載參數(shù)、加載方式等均會(huì)對(duì)試件力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

6) 加載方式。單軸壓縮、三軸壓縮和抗拉強(qiáng)度測(cè)試等試驗(yàn)中，巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)規(guī)律存在顯著差異。

7) 樣品數(shù)量。巖石非均質(zhì)性強(qiáng)，強(qiáng)度影響因素多，樣品數(shù)量過少會(huì)使實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果離散性高，偏離真實(shí)值。

8) 加載速率。壓頭對(duì)巖樣的加載速率不同會(huì)顯著影響巖石強(qiáng)度的測(cè)試值，一般而言，壓頭加載速率過大將導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度測(cè)試值偏大。

9) 圍壓。巖石受到圍壓會(huì)使其內(nèi)部微缺陷閉合，降低了巖石的非均質(zhì)度，巖樣所受圍壓越高，其強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)現(xiàn)象越不明顯。

10) 巖樣加工精度。端部摩擦力的大小與巖樣端部加工精度密切相關(guān)，端部平整度，磨光程度等都會(huì)影響巖石強(qiáng)度，尤其是對(duì)于小尺度巖樣，巖樣加工精度對(duì)其強(qiáng)度影響較大。

4 石油工程巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)研究建議

當(dāng)前關(guān)于巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的研究并不成熟，行業(yè)既沒有形成統(tǒng)一的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也未對(duì)常見的油氣儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)規(guī)律形成精細(xì)化、系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，石油工程領(lǐng)域主戰(zhàn)場(chǎng)已轉(zhuǎn)向頁巖氣、煤層氣、致密氣、深部-超深部油氣等新型儲(chǔ)層，而這些領(lǐng)域所面臨的巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)問題更復(fù)雜，更嚴(yán)峻。為此，筆者提出以下建議。

1) 建立行業(yè)統(tǒng)一的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法沒有統(tǒng)一規(guī)定，致使學(xué)者們?cè)谶x擇測(cè)試儀器、測(cè)試手段、測(cè)試方法時(shí)存在巨大差異，而這種差異會(huì)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)尺度效應(yīng)的結(jié)論產(chǎn)生重要影響。

2) 開展儲(chǔ)層條件下的巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)均在常溫常壓下完成，但無論是鉆井還是壓裂，所面對(duì)的儲(chǔ)層均為地層溫度和壓力，局部還充滿流體，模擬儲(chǔ)層條件下的巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)規(guī)律對(duì)礦場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)性更強(qiáng)。

3) 開展新型儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)研究。當(dāng)前巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的理論和模型對(duì)于頁巖、煤巖、致密砂巖等新型儲(chǔ)層巖石的適用性還有待提高，目前鉆井和壓裂效率低、風(fēng)險(xiǎn)大及成本過高的一個(gè)重要因素就是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)的掌握不全面，而開展新型儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度與變形的尺度效應(yīng)研究可為現(xiàn)場(chǎng)確定儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)。

4) 簡(jiǎn)化巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)模型。不同類型巖石，其主要影響強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的因素及各因素所占權(quán)重不同，抓住主要影響因素，簡(jiǎn)化尺度效應(yīng)模型，可極大方便工程應(yīng)用。

5) 提高數(shù)模精度。油氣儲(chǔ)層的量級(jí)是千米級(jí)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)最大量級(jí)是米級(jí)，因此，基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的數(shù)值模擬技術(shù)是研究巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)的必然途徑，提高數(shù)值精度對(duì)于指導(dǎo)工程具有重要意義。

6) 建立系統(tǒng)的巖石強(qiáng)度與變形尺度效應(yīng)理論體系。巖石力學(xué)尺度效應(yīng)的研究不應(yīng)只局限于強(qiáng)度和變形上，還應(yīng)研究巖石脆性、易改造程度、復(fù)雜縫網(wǎng)形成機(jī)制、壓裂產(chǎn)能評(píng)價(jià)等的尺度效應(yīng)規(guī)律，以期形成一整套巖石力學(xué)性質(zhì)尺度效應(yīng)評(píng)價(jià)體系。