鹽穴儲氣庫三種典型巖石拉伸聲發(fā)射特征研究

林浩， 劉建鋒*， 徐鄧， 朱安奇， 任奕， 梁超

(1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 成都 610065； 2.四川大學水利水電學院， 成都 610065)

鹽巖擁有優(yōu)良的致密性，低滲性和水溶性，同時由于其蠕變特性良好以及力學性能穩(wěn)定[1-2]，常用作建造地下儲氣庫以保持運營期的長期穩(wěn)定[3-5]。中國地下鹽巖礦井多為層狀分布，巖層的強度和特性由構成夾層的巖石決定，其中鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖是鹽穴中的典型巖石，研究這3種巖石的物理力學特性對中國儲氣庫的建造與運營具有重要意義。

巖石的抗拉強度對其性質(zhì)有顯著影響，中外眾多學者進行了相關方面的研究[6-9]。直接拉伸試驗由于難以確定拉伸方向與巖石試樣軸線的重合程度，因此使用該方法測試巖石抗拉強度的研究較少，有學者使用點荷載試驗及沖擊試驗預測了巖石的抗拉強度[10-11]，總結了相關公式并評判了其可靠性，但由于試驗結果差異性較大，并不被廣泛使用。國際上多采用間接方法測試巖石的抗拉強度，中國把巴西劈裂試驗作為相關行業(yè)的標準試驗方法。通過巴西試驗，學者們得到了各類脆性巖石[12-13]，各向異性巖石[14-15]以及不同工況下巖石的抗拉強度[16]，同時，為了更好地分析巖石的內(nèi)部破壞規(guī)律，超聲檢測技術被廣泛應用，有學者用其來監(jiān)測預報巖體穩(wěn)定性[17-19]以及定量評價巖樣的損傷演化過程[20-21]。在拉伸試驗中，聲發(fā)射揭示了不同應力狀態(tài)所導 致的損傷演化規(guī)律[22]和鹽巖拉伸破壞時的力學強度特性[23-24]和破壞前兆[25]。然而，少有學者探究鹽穴儲氣庫中3種典型巖石尤其是泥巖和鈣芒硝巖的拉伸破壞時的聲發(fā)射特征規(guī)律，導致對三種巖石破壞特征方面的認識有所不足，在儲氣庫安全建設與運營方面有待加強。

采用間接拉伸的方式，針對鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖進行巴西劈裂試驗，并結合聲發(fā)射的空間分布特征以及能量和振鈴計數(shù)特征具體分析破壞過程，對相關工程具有重要的參考價值。

1 試樣設備及試驗方案

試驗所采用的設備為四川大學水電學院MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統(tǒng)[圖1(a)]，該試驗機軸向荷載最大可達4 600 kN，單軸引伸計 軸向量程±4 mm，環(huán)向量程-2.5～12.5 mm；三軸環(huán)向引伸計量程8～-2.5 mm；直接拉伸荷載最大2 300 kN；軸向荷載的振動頻率可達5 Hz以上，各測試傳感器精度均為當前同比標定量程的0.5%。聲發(fā)射試驗所采用的設備為PCI-II聲發(fā)射定位系統(tǒng)。巖石內(nèi)部的晶體位錯和顆粒內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展、閉合均有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，借助傳感器可以得到這些聲發(fā)射信號的振幅，頻率、能量等參數(shù)，由此可以間接反應巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展情況。

試驗中軸向加載采用40 kN量程的加載方式，聲發(fā)射傳感器對稱分布在試樣前后兩側，每側4個[圖1(b)]，傳感器頻率為100 kHz。巴西劈裂試驗采用間接拉伸的方式，試樣按規(guī)范要求制成直徑為90 mm，高度為45 mm的圓柱形(圖2)。試驗過程中采用軸向位移控制加載速率為0.1 mm/min，直至試樣破壞。

圖1 試驗設備及放置方式

圖2 巖石試樣

2 試驗結果及其分析

2.1 應力應變特征

考察3種巖石整體變形量與峰值應力， 鹽巖的峰值應力較低，總應變較大，泥巖與鈣芒硝巖應變低于鹽巖，峰值應力則較高，在破壞過程中呈現(xiàn)出脆性的特點(圖3)，而此兩者之中泥巖的峰值應力與應變量大于鈣芒硝巖，塑形更強。由圖4可知，3種巖石的總應變呈下降趨勢，鹽巖最大位移量為0.69 mm，應變?yōu)?.007 6，可達鈣芒硝巖的兩倍以上，同時也是泥巖總應變的1.5倍，并且鹽巖的初始壓密階段與彈性階段不如另外兩種巖石明顯，屈服變形持續(xù)時間也最長，由此可知，鹽巖塑形高于泥巖與鈣芒硝巖。從峰值應力來看，鹽巖僅為1.27 MPa，不足泥巖的1/2，并且略低于鈣芒硝巖，巖樣整體強度較弱，這與巖石的組成成分有關。

圖3 巖石應力應變曲線

圖4 巖石總應變-峰值應力圖

2.2 空間分布特征

3種巖石聲發(fā)射事件點鹽巖最多，鈣芒硝巖次之，泥巖最少，鹽巖聲發(fā)射活動最為顯著。比較具體聲發(fā)射事件點總數(shù)，鹽巖共有10 148次，泥巖有119次，鈣芒硝巖有1 166次，鹽巖的聲發(fā)射事件數(shù)遠高于泥巖與鈣芒硝巖，這是由于鹽巖由NaCl(主要成分)、KCl、硫酸鹽礦物、鎂鹽礦物等組成，晶體結構明顯，巖石內(nèi)部晶體的滑移，錯動，摩擦等活動都會被聲發(fā)射儀器采集，而泥巖成分較為復雜，主要由黏土礦物(高嶺石、蒙脫石等)和碎屑礦物(石英、長石、云母等)、后生礦物(綠簾石、綠泥石)等組成，固結程度較弱，重結晶不明顯，因此聲發(fā)射活動較弱。鈣芒硝巖由鈣芒硝和白云石、石膏、芒硝等碎屑組成，晶體結構不如鹽巖明顯，聲發(fā)射事件點偏少。

在鹽巖破壞的整個過程中[圖5(a)]，10%峰值應力以前的聲發(fā)射活動相比之后并不劇烈，事件點增加不明顯，在達到20%峰值應力之后，聲發(fā)射事件點開始大幅增加，首先是在試件的兩端迅速增多，并沿著試樣中線向中心擴張，到了80%峰值應力時可以清晰地看出事件點構成了一條軌跡，這正是貫通裂縫出現(xiàn)的部位；泥巖在試件中間部位首先出現(xiàn)聲發(fā)射事件點[圖5(b)]，隨著荷載增加，達到峰值應力時能看出貫通裂縫的痕跡，但由于聲發(fā)射事件點較少，無法呈現(xiàn)出和宏觀裂縫重合的聲發(fā)射圖像；鈣芒硝巖在50%峰值應力左右出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射事件點[圖5(c)]，之后在90%峰值應力之前以較慢的速率增長，到達90%峰值應力后出現(xiàn)事件點大幅增加的現(xiàn)象。從時空分布(圖5)可以看出，鹽巖首先在試樣兩端產(chǎn)生破壞，由彈性力學原理巖石應在試件中心首先發(fā)生破壞，然而因試樣兩端加裝了墊條，發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，鹽巖首先在兩端出現(xiàn)破壞，鈣芒硝巖則強度更高，兩端的應力集中不足以讓其出現(xiàn)可監(jiān)測到的裂紋，在荷載增加到50%時，試樣中部聲發(fā)射事件點顯著增加，這時才出現(xiàn)了明顯的裂紋并沿加載方向向兩端擴展直至破壞，三種巖石的不同強度導致了破壞過程出現(xiàn)了明顯的差異。

圖5 巖石聲發(fā)射時空分布

2.3 能量特征

聲發(fā)射能率表征了巖石損傷的程度，在試驗全過程中，鹽巖的能率與累計能量最高，鈣芒硝巖次之，泥巖最低，根據(jù)聲發(fā)射事件點總數(shù)，計算得出每個事件點的平均能值，鹽巖為2.02×10-14J、泥巖為3.5×10-16J、鈣芒硝巖為3.9×10-16J，其中鹽巖的平均能值最高且遠超其余兩者，這種現(xiàn)象與事件數(shù)的規(guī)律一致，出現(xiàn)的原因可能與巖石內(nèi)部微粒的破壞方式有關，鹽巖為晶體結構，并且在間接拉伸中破壞以穿晶斷裂為主[23]，增加了斷裂表面面積，因此導致能率上升，而鈣芒硝巖或以沿晶斷裂為主，能率遠小于穿晶斷裂，泥巖則由于本身的泥狀結構導致聲發(fā)射活動不活躍，破壞所釋放的能量也較少。

將圖6中巖石的破壞過程按應力應變特性分為3個階段：初始壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、屈服變形階段(Ⅲ)。其中初始壓密階段約為峰值應力的5%以下，此階段3種巖石的聲發(fā)射活動微弱，這是由于在試驗開始階段施加的荷載主要作用在鋼條上，時間內(nèi)部損傷較小，聲發(fā)射活動不顯著，所以在曲線上出現(xiàn)了一段聲發(fā)射活動的空白期，除此之外，在加載初期試件被集中力壓密，巖石內(nèi)部一部分裂紋在力的作用下處于閉合狀態(tài)，因此聲發(fā)射活動能量較小。隨著荷載增大，巖石內(nèi)部裂紋開始擴展，聲發(fā)射活動隨之變得活躍。在彈性階段3種巖石有所不同，鹽巖強度較低，彈性變形持續(xù)時間較短，在峰值應力的50%左右開始出現(xiàn)屈服變形，而泥巖與鈣芒硝巖則在70%～80%峰值應力時進入屈服變形階段。在進入屈服變形階段后，3種巖石的聲發(fā)射能量都迅速增加，在接近峰值應力時，增加速率達到最大值。然而3種巖石的累計能量上升趨勢有所不同，鹽巖的累計能量值呈平滑曲線形式上升，泥巖則表現(xiàn)出明顯的階梯狀。出現(xiàn)這種差異的原因和兩種巖石的內(nèi)部微粒有關，鹽巖顆粒強度較低，在荷載增加的過程中內(nèi)部不斷出現(xiàn)裂紋，曲線平緩增長，而泥巖中泥質(zhì)顆粒強度較鹽巖更高，施加荷載時出現(xiàn)的裂紋微小，聲發(fā)射活動不顯著，隨著應力增加，裂紋從試件中心開始出現(xiàn)，并向兩端擴展，最后匯成一個裂紋帶，呈現(xiàn)在曲線上就是一級階梯，之后的每一級階梯都可看作巖石內(nèi)部微裂紋的一次匯集，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到試件破壞。而鈣芒硝巖的能量曲線總體呈現(xiàn)出陡增的形式，在接近峰值應力前都無明顯的變化，在臨近峰值時才有聲發(fā)射活動活躍程度大幅增加的現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 振鈴計數(shù)特征

3種巖石的振鈴計數(shù)規(guī)律表現(xiàn)出了與時空分布(圖5)和能量曲線(圖6)相同的特征，鹽巖的最大振鈴計數(shù)率和累計振鈴計數(shù)都遠大于泥巖和鈣芒硝巖，而后兩者中鈣芒硝巖較泥巖更大。并且可以發(fā)現(xiàn)累計振鈴計數(shù)和累計能量曲線的趨勢幾乎一樣，進一步證明了前述的結論，鹽巖的晶體結構使其聲發(fā)射活動極為活躍，泥巖的泥狀結構則使聲發(fā)射現(xiàn)象不明顯?？疾烊N巖石每個聲發(fā)射事件點的平均振鈴計數(shù)，得出鹽巖為1 200.6次，是泥巖(76.2次)的15.8倍，鈣芒硝巖(68.8次)的17.5倍，與平均能值相似，鹽巖遠大于其余兩者，主要是因為鹽巖整體強度較低，內(nèi)部晶粒的滑移、錯動、摩擦現(xiàn)象發(fā)生的更為頻繁。同時也與鹽巖屈服變形階段在整體破壞過程中占比最大，時間最長有關，該階段巖石不可逆變形增加，內(nèi)部裂紋增長迅速，聲發(fā)射信號顯著增加，而泥巖和鈣芒硝巖由于強度更高，塑形更差，這種現(xiàn)象便體現(xiàn)在較少的聲發(fā)射信號上。

圖6 鹽巖聲發(fā)射能量率/累計能量-時間-應力圖

對于振鈴計數(shù)率曲線(圖7)，3種鹽巖在初始壓密階段聲發(fā)射活動微弱，曲線波動不明顯。彈性變形階段則有所不同，鹽巖與鈣芒硝巖在這個階段增長速率較慢，泥巖則有迅速上漲的現(xiàn)象發(fā)生。在屈服變形階段，3種巖石在此階段所持續(xù)時間在試驗中均占比最大，并且振鈴計數(shù)增長速率最快，但呈現(xiàn)出了不同的增長方式，鹽巖呈平滑上升，泥巖與鈣芒硝巖經(jīng)過了一段時間穩(wěn)定增長后在臨近峰值應力時出現(xiàn)陡增。從該階段的差異可以看出，由于鹽巖強度最低，在較低荷載時便已產(chǎn)生了大量裂紋，而泥巖與鈣芒硝巖強度更高巖石內(nèi)部破壞速度較慢，聲發(fā)射活動并不顯著，當荷載增加至臨近峰值階段時，兩種巖石內(nèi)部前兩個階段所積累的裂紋擴展到了一定程度，各處裂紋開始匯聚，巖石破壞程度迅速加大，聲發(fā)射活動因此急劇增多。從振鈴計數(shù)特征可以看出，巖石的組成與結構會影響聲發(fā)射現(xiàn)象，導致聲發(fā)射特征參數(shù)產(chǎn)生不同的變化規(guī)律。

圖7 鹽巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)率/累計振鈴計數(shù)-時間-應力圖

3 結論

本次試驗針對鹽穴儲氣庫3種典型巖石的巴西劈裂聲發(fā)射特征結合力學特性和巖石組成結構做了詳細分析，得出如下主要結論。

(1)3種巖石中鹽巖形變量最大為0.69 mm，應變可達0.007 6，約為泥巖的1.5倍，鈣芒硝巖的2倍，而峰值應力僅為1.27 MPa，為三者最低，不足泥巖的1/2，并略低于鈣芒硝巖。

(2)聲發(fā)射活動的活躍性與巖石組成結構有關，鹽巖和鈣芒硝巖的晶體結構比泥巖的泥狀結構更容易產(chǎn)生聲發(fā)射事件點，鹽巖的事件點總數(shù)接近泥巖的100倍，鈣芒硝巖則接近泥巖的10倍。同時巖石的強度也導致了聲發(fā)射分布點的出現(xiàn)規(guī)律不同，鹽巖強度較低，從兩端墊條加載處開始，泥巖與鈣芒硝巖則先在試件中心出現(xiàn)。

(3)聲發(fā)射能量和振鈴計數(shù)在巖石屈服變形階段大幅增加，總體累計曲線鹽巖呈平滑曲線形式上升，泥巖呈階梯狀上升，鈣芒硝巖在接近峰值應力時陡增。由于鹽巖內(nèi)部顆粒破壞形式多為穿晶斷裂，并且顆粒的摩擦，錯動，滑移都會被聲發(fā)射儀器記錄，所以鹽巖的能量與振鈴計數(shù)均遠大于泥巖與鈣芒硝巖。

(4)聲發(fā)射試驗是檢測巖石內(nèi)部損傷狀態(tài)的重要方法之一，能夠反應巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展以及演化規(guī)律，通過對鹽穴儲氣庫三種典型巖石的聲發(fā)射特征參數(shù)研究，進一步了解了其損傷演化規(guī)律，對儲氣庫的建設和安全運營具有重要意義。