真三軸條件下礫巖力學(xué)特性試驗

魏 俊,廖華林,王華健,陳敬凱,李 寧,梁紅軍,張端瑞,劉川福,滕志想

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(xué)(華東)),山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;3.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東青島 266580;4.中國石油塔里木油田公司,新疆庫爾勒 841000)

塔里木盆地油氣資源豐富,開發(fā)潛力大,是中國未來增儲上產(chǎn)的主力區(qū)塊[1-3]。受造山運動的影響,該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜[4-5],資源埋藏深、地應(yīng)力大、巨厚礫石層發(fā)育,礫石體積分數(shù)高、分布廣、粒徑差異大、膠結(jié)弱、非均質(zhì)性強,導(dǎo)致鉆柱振動劇烈、鉆頭磨損嚴重,極大地制約了鉆井進程[6-8]。礫巖是一種陸相沉積巖[9-10],作為礫石層的主要組成部分,其強度與破壞特征是礫石層高效破巖方法的研究基礎(chǔ)。研究人員[11-14]通過試驗測得礫巖的單軸強度為50～240 MPa,抗拉強度為7～18 MPa,彈性模量為21～106 GPa,泊松比為0.13～0.25;劉向君等[15-16]得出礫巖的單軸壓縮以劈裂破壞為主,三軸壓縮包括劈裂破壞、單剪切破壞和雙剪切破壞。一些學(xué)者[17-21]通過人造巖心及數(shù)值模擬研究了礫石粒徑和體積分數(shù)對礫巖性質(zhì)的影響,結(jié)果表明:礫巖的抗壓強度隨礫石粒徑的增大而減小，與其體積分數(shù)呈較好的負相關(guān)性;彈性模量與礫石粒徑呈較弱的正相關(guān)性，隨礫石體積分數(shù)的增加而降低,但降幅不明顯;裂縫擴展至礫石顆粒附近時,優(yōu)先朝強度較低、耗能較少的膠結(jié)面發(fā)展,致使其抗壓強度瞬時降低。由于深部礫石層受構(gòu)造運動作用通常處于三向復(fù)雜應(yīng)力場,常規(guī)三軸試驗難以對礫巖所處的力學(xué)環(huán)境進行準確模擬。另外,由于深部礫石層巖石硬度高,取芯難度大,滿足室內(nèi)巖石力學(xué)試驗的標準試樣難以獲取,導(dǎo)致目前礫巖的力學(xué)性質(zhì)及破壞機制等的研究相對較少?；诖?筆者通過礫巖露頭的真三軸試驗,研究不同水平主應(yīng)力條件下礫巖抗壓強度的變化規(guī)律,并采用CT掃描,分析其破壞機制。

1 礫巖真三軸試驗

1.1 試驗設(shè)備與方法

本次試驗采用中國石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣開發(fā)實驗室的GCTS高溫高壓動態(tài)巖石綜合測試系統(tǒng)(型號:RTR-2000)開展,如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括液壓泵站及伺服單元、試樣夾持臺架、軸壓加載單元、數(shù)據(jù)收集與顯示單元等,可開展巖石的斷裂韌性、間接拉伸、高溫高壓超聲波測試、水力壓裂、常規(guī)三軸、真三軸力學(xué)等試驗。

GCTS巖石真三軸試驗單元及其三向應(yīng)力加載原理如圖2所示。試驗設(shè)備要求的試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm,能施加的最大水平主應(yīng)力為80 MPa,軸向最大載荷為2 500 kN。為均勻施加水平載荷,試驗前在試件側(cè)面粘貼剛性薄板并置于真三軸試驗單元的試樣夾持裝置內(nèi),試件3個方向均布置有一對位移傳感器,用以測試和計算真三軸壓縮過程中各方向的位移和應(yīng)變,通過管路將液壓油導(dǎo)入試樣夾持裝置側(cè)壁內(nèi),對試樣施加水平方向的主應(yīng)力。

圖1 RTR-2000巖石真三軸力學(xué)試驗系統(tǒng)Fig.1 RTR-2000 triaxial rock testing system

圖2 RTR-2000巖石真三軸試驗單元Fig.2 RTR-2000 true triaxial loading element

1.2 礫巖試樣及測試方案

圖3 礫巖試樣Fig.3 Specimen of conglomerate

根據(jù)試驗設(shè)備的要求,對所采集的巖石露頭進行切割、研磨成長方體,使其表面光滑平整且每組對面相互平行,由此獲得完整的礫巖試件,如圖3所示。該試件呈灰白色,層理不發(fā)育,礫石顆粒清晰可見、尺寸變化范圍較大,幾何形狀及位置分布具有顯著的非均質(zhì)性。試件中分布在礫石顆粒間的基質(zhì)以細砂粒為主,結(jié)構(gòu)致密、吸水性較強且遇水或潮濕環(huán)境易崩解。

由于礫巖本身礫石體積分數(shù)、分布和尺寸的隨機性較大,導(dǎo)致其非均質(zhì)性極強,力學(xué)特性復(fù)雜。為分析礫巖的結(jié)構(gòu)特征及礫石的分布和含量情況,采用CT掃描技術(shù)對試樣進行掃描與三維重構(gòu),獲取礫巖中礫石顆粒的級配特征,CT測試結(jié)果見表1。

表1 礫巖中礫石顆粒的級配特征掃描結(jié)果Table 1 CT scanning results of gravel particles contents of conglomerate

礫巖的CT測試結(jié)果表明,本次試驗所采用的礫巖試樣在礫石體積分數(shù)、分布、形狀及其尺寸方面具有強烈的非均質(zhì)性。根據(jù)礫巖的物性定義,試樣中粒徑超過2 mm的大顆粒物被定義為礫石顆粒。上述所測試樣中,粒徑小于2 mm的顆粒物體積分數(shù)分別約占34.93%、44.57%和35.63%,表明其中礫石的體積分數(shù)約為55%～65%。

為探究礫巖的巖石力學(xué)特性,研究真三軸條件下礫巖的強度與變形特征,對比分析不同真三軸應(yīng)力狀態(tài)下礫巖的破壞機制,研究最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力對其強度的影響,設(shè)計11組真三軸測試試驗,圍壓加載方案見表2。

根據(jù)表2可知,本次試驗所采用礫巖的平均密度約為2.64 g/cm3,各試樣密度差異較小,且CT測試結(jié)果表明本次試驗所采用的礫巖試樣中礫石體積分數(shù)變化范圍(55%～65%)小,說明各組試樣的離散性較弱,為不同水平主應(yīng)力條件下礫巖強度特征對比分析結(jié)論的可靠性提供了可重復(fù)性測試基礎(chǔ)。此前,通過同一批次礫巖試樣試驗研究,得到其抗拉強度為7.19 MPa、單軸抗壓強度為104.13 MPa、彈性模量為38.83 GPa、泊松比為0.41。

表2 試驗方案Table 2 Scheme of test

2 試驗結(jié)果

2.1 礫巖真三軸試驗變形特征

應(yīng)力應(yīng)變曲線表征了巖石受載后基本力學(xué)特征的變化規(guī)律,與其內(nèi)部裂紋的發(fā)育發(fā)展情況密切相關(guān)。不同水平主應(yīng)力條件下各試件3個方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4可知,不同水平主應(yīng)力下礫巖的破壞特征有顯著差異,從低水平主應(yīng)力下的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚街鲬?yīng)力下的脆塑性破壞,且水平主應(yīng)力越大,塑性變形越明顯。受其非均質(zhì)性的影響,水平應(yīng)力加載時,各方向的應(yīng)力同步增長,應(yīng)變增大但其增長速率并未表現(xiàn)出一致的規(guī)律性;達到峰值應(yīng)力前,各向應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢基本相同,且試件經(jīng)歷壓密和彈性變形后,內(nèi)部萌生出裂紋并逐漸發(fā)展成宏觀破壞。本試驗中,水平主應(yīng)力增大了3.5倍,而峰值應(yīng)力對應(yīng)的主應(yīng)變由1.06%增長至2.07%,說明礫巖真三軸試驗中以脆性破壞為主。

加載破壞階段采用伺服控制水平應(yīng)力恒定(加載速率為0.002 mm/s),因此水平方向應(yīng)變基本不變,表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線呈豎直狀態(tài),不同水平主應(yīng)力下該狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)變?nèi)鐖D5所示?？梢?水平方向試件的應(yīng)變與所受載荷直接相關(guān),水平方向的應(yīng)變隨主應(yīng)力的增大呈正相關(guān),基本保持為線性增長趨勢,當水平主應(yīng)力不變時,對應(yīng)的應(yīng)變量也基本保持不變,該現(xiàn)象表明試件具有一定的彈性屬性,說明礫巖受載變形過程符合彈性力學(xué)相關(guān)理論,因此可采用彈性體本構(gòu)關(guān)系表征其強度和變形特征。

圖4 不同主應(yīng)力條件下礫巖的真三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain curves of conglomerate under different principal stress

圖5 橫向應(yīng)變與水平主應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationship between strain and principal stress in horizontal direction

2.2 礫巖的真三軸強度特征

礫巖的真三軸抗壓強度取試驗過程中豎直方向的峰值應(yīng)力σ1,其強度特征對礫石層鉆井工程設(shè)計鉆井工藝參數(shù)選擇具有重要意義,根據(jù)各組試件應(yīng)力應(yīng)變峰值及峰值前的直線段數(shù)據(jù),結(jié)合廣義胡克定律,得到礫巖的真三軸強度和彈性模量,如圖6所示。

根據(jù)圖6可知,在本次試驗所設(shè)置的水平主應(yīng)力范圍內(nèi),礫巖的真三軸抗壓強度隨最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力的增大而增大,基本呈線性增長;礫巖彈性模量隨水平主應(yīng)力的增大雖有波動,變化幅度較小且總體呈增長趨勢,說明礫巖的真三軸靜態(tài)壓縮彈性模量受水平主應(yīng)力影響不大,本試驗中礫巖的真三軸彈性模量為31.93～40.15 GPa,平均為35.86 GPa,低于其單軸抗壓試驗的彈性模量(38.83 GPa)。最小主應(yīng)力為20 MPa時,其真三軸強度與中間主應(yīng)力的關(guān)系為σ1=1.885 9σ2+194.93,當中間主應(yīng)力為70 MPa時,真三軸強度與最小主應(yīng)力的關(guān)系為σ1=3.534 3σ3+235.95,兩線性擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.902 1和0.958 4,表明在本試驗所設(shè)置的水平主應(yīng)力范圍內(nèi),該擬合公式能較好地反映真三軸條件下礫巖的抗壓強度隨水平主應(yīng)力的變化規(guī)律。兩線性擬合曲線的斜率差值較大,說明中間主應(yīng)力對礫巖的真三軸強度影響更顯著。較高的中間主應(yīng)力(σ2=70 MPa)時,增加最小主應(yīng)力(水平應(yīng)力差減小)礫巖的抗壓強度將迅速增大;較低的最小主應(yīng)力(σ3=20 MPa)時,增加中間主應(yīng)力(水平應(yīng)力差增大),礫巖的抗壓強度增加,但增長幅度較小,如圖7所示。因此可認為隨著埋深的增加,地應(yīng)力增大,水平應(yīng)力差減小,礫石層巖石的強度將迅速升高,極大地提高了深部礫石層鉆井難度。

圖6 不同水平主應(yīng)力條件下礫巖的真三軸強度Fig.6 True triaxial strength of conglomerate under different horizontal principal stresses

圖7 水平應(yīng)力差對礫巖真三軸強度的影響Fig.7 Effect of horizontal stress on true triaxial strength

2.3 礫巖的真三軸抗剪強度參數(shù)

抗剪強度參數(shù)反映了巖石抵抗剪切破壞的能力,主要指黏聚力和內(nèi)摩擦角,表示巖石在外載荷作用下內(nèi)部顆粒發(fā)生相對運動的難易程度,一般采用強度準則進行確定。目前針對巖石真三軸試驗的強度準則主要有Drucker-Prager準則和Mogi-Coulomb準則[22-25]。

Drucker-Prager強度準則簡稱D-P準則,該強度準則是在Mises屈服準則和Mohr-Coulomb強度準則的基礎(chǔ)上提出的,因此也被稱為擴展Von Mises屈服準則,D-P準則的屈服函數(shù)為

(1)

其中

I1=σ1+σ2+σ3,

式中,I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏量第二不變量;σ1為最大主應(yīng)力;σ2為中間主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力;c為巖石黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

Mogi[26-27]通過大量真三軸試驗數(shù)據(jù)分析,認為作用在剪切破壞面上的應(yīng)力應(yīng)是平均有效正應(yīng)力σm,2,而非Mohr-Coulomb強度準則認為的八面體正應(yīng)力σoct,并提出了考慮中間主應(yīng)力影響的Mogi強度準則,Al-Ajmi等[28]提出巖石的真三軸破壞準則可采用八面體剪應(yīng)力τoct和σm,2間的線性函數(shù)表示,這種線性函數(shù)被稱為Mogi-Coulomb強度準則,簡稱Mg-C準則,其表達式為

τoct=a+bσm,2.

(2)

其中

式中,τoct為八面體剪應(yīng)力;σm,2為作用在剪切面上的平均正應(yīng)力;a和b為與巖石的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的材料參數(shù)

剪應(yīng)力τoct的計算公式為

(3)

引入基于Mg-C破壞準則的八面體平均應(yīng)力偏差,表征擬合結(jié)果與試驗結(jié)果之間的偏差,其計算式為

(4)

分別采用D-P和Mg-C強度準則對試驗結(jié)果進行擬合,結(jié)果如圖8所示。采用D-P強度準則擬合得到礫巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為26.688 MPa和41.89°;采用Mg-C準則擬合的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為26.302 MPa、41.09°。

圖8 基于D-P和Mg-C準則的礫巖真三軸抗壓強度擬合Fig.8 Fitting of true triaxial strength of conglomerate based on D-P and Mg-C failure criterion

3 礫巖的真三軸破壞機制

3.1 宏觀破壞特征

圖9為真三軸壓縮試驗后礫巖的破壞結(jié)果。在GCTS巖石力學(xué)測試系統(tǒng)的真三軸模塊水平主應(yīng)力加載過程中,為避免由于采用剛性加載實現(xiàn)均布載荷的方式造成試件變形后墊塊相互擠壓從而影響巖石強度測試結(jié)果的現(xiàn)象,在各墊塊間留有一定的間隙,使試件受力面尺寸大于墊塊的尺寸。

圖9 真三軸條件下礫巖典型宏觀破壞特征展示Fig.9 Typical failure characteristics of conglomerate under true triaxial condition

礫巖真三軸壓縮至發(fā)生破壞時具有明顯的脆性特征,且裂紋發(fā)展狀態(tài)與水平主應(yīng)力差(σ2-σ3)有直接聯(lián)系。通常由于σ2>σ3,當試件開裂時,宏觀裂紋將沿σ2方向發(fā)展,使試件朝σ3方向裂開。本文中試驗設(shè)置的水平主應(yīng)力差為0～50 MPa,當水平主應(yīng)力差值較小時,礫巖破壞后表面宏觀裂紋發(fā)展不明顯,僅發(fā)展出大致呈X型分布的裂紋束,試件未形成體積破碎,如圖9(a)所示;當水平主應(yīng)力差值較大時,礫巖表面沿σ2方向發(fā)展出明顯的宏觀裂紋,使巖石沿σ3方向裂開,形成劈裂破壞,且水平應(yīng)力差越大破壞裂紋越明顯。由于試件下端面固定,在上端面施加載荷,試件發(fā)生宏觀破壞時,其破壞面從上端面棱邊處開始延伸,在裂紋發(fā)展的起始位置處易形成宏觀破壞區(qū),見圖9(b)和(c);在試件內(nèi)部破壞面上,裂紋發(fā)展遇到礫石顆粒所在位置處有繞礫發(fā)展和礫石顆粒剪切劈裂破壞兩種形式,見圖9(d)和(e)。

由于試驗后礫巖內(nèi)部的破壞狀態(tài)難以用肉眼直觀觀測,因此采用X射線CT掃描方法對其進行三維重構(gòu),TT-18組礫巖試樣試驗后的CT重構(gòu)如圖10所示。

圖10 真三軸壓縮試驗后的礫巖X-CT掃描重構(gòu)Fig.10 CT scanning reconstruction of conglomerate after true triaxial compression test

由于試件呈長方體狀,CT掃描時試件沿自身軸線旋轉(zhuǎn),射線在其棱邊處穿透效果不理想,致使邊角亮度較暗,如圖10(a)所示;從圖10可以看出,由于礫石顆粒與膠結(jié)基質(zhì)的密度不同,X-CT掃描圖片中顯示亮度的差異明顯,礫石顆粒與基質(zhì)的膠結(jié)界面清晰可見,巖石試件中礫石的體積分數(shù)占比較高,礫石顆粒的粒度、形狀、空間位置分布等存在較大的非均質(zhì)性。該試樣在上端面壓縮載荷的作用下,沿棱邊形成了較大的宏觀裂紋,沿裂紋發(fā)展方向產(chǎn)生了掉塊現(xiàn)象,導(dǎo)致中間主應(yīng)力作用面出現(xiàn)宏觀破壞裂紋;通過礫巖內(nèi)部的CT重構(gòu)圖像分析不同位置處的裂紋發(fā)展狀態(tài)可知,在破壞面及其他裂紋擴展區(qū)均產(chǎn)生了礫石顆粒的劈裂破壞和繞礫發(fā)展的裂紋。

3.2 破壞機制

為表征三向應(yīng)力加載過程中礫巖試樣內(nèi)部裂紋發(fā)展發(fā)育過程,采用圖11所示破壞原理示意圖做進一步解釋。

圖11 礫巖真三軸壓縮破壞過程原理示意圖Fig.11 Diagram of true triaxial failure process of conglomerate

當三向應(yīng)力開始加載后,試樣3個方向均會產(chǎn)生一定的應(yīng)變,致使礫巖內(nèi)部處于閉合狀態(tài)的原始微裂隙逐漸變小,試件被壓密。當三向應(yīng)力增加到一定程度后,礫巖試樣較強的非均質(zhì)性,導(dǎo)致礫石顆粒在復(fù)雜載荷狀態(tài)下產(chǎn)生不平衡力,使其具有向最低勢能方向旋轉(zhuǎn)的運動趨勢。受限于基質(zhì)反作用力,該運動趨勢難以轉(zhuǎn)化為實際的運動位移,因此在礫石顆粒內(nèi)部產(chǎn)生力矩并逐漸累積。隨著載荷的增大,試樣經(jīng)彈性變形后,在強度相對較低且本身具有原始微裂隙的基質(zhì)中首先萌生出微裂紋并逐漸累積形成損傷。隨著裂紋的進一步發(fā)育和擴展,損傷積累到一定程度后生成宏觀裂紋,并在基質(zhì)中產(chǎn)生裂紋束。當載荷繼續(xù)增大時,部分礫石顆粒上的彎矩增大至其極限載荷后發(fā)生劈裂、剪切或拉伸破壞;裂紋在試樣內(nèi)部進一步擴展的過程中,由于礫石顆粒的強度高于基質(zhì)與礫石的膠結(jié)強度[21],在交界面處易形成應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋擴展至未發(fā)生破壞的礫石顆粒附近時,將沿顆粒膠結(jié)面發(fā)展,形成繞礫宏觀裂紋[29];損傷裂紋發(fā)展至一定狀態(tài)時,豎直方向應(yīng)力出現(xiàn)峰值,試樣發(fā)生破壞后豎直方向的應(yīng)力迅速減小,由于水平方向存在一定的作用力,試件的宏觀破壞將沿最小主應(yīng)力方向,使該方向迅速膨脹,此時應(yīng)變ε3反向增大。

4 結(jié) 論

(1)礫巖的真三軸破壞特征受水平主應(yīng)力的影響較大,主要表現(xiàn)為脆性破壞,當水平主應(yīng)力增大時,表現(xiàn)出一定的脆塑性特征,破壞過程符合彈性體形變理論。其真三軸抗壓強度隨水平主應(yīng)力的增大呈線性增長,受中間主應(yīng)力的影響較大,而其彈性模量基本不受水平主應(yīng)力的影響,在該試驗條件下彈性模量的平均值低于其單軸試驗彈性模量。

(2)在較大水平應(yīng)力差作用下,礫巖試件沿中間主應(yīng)力方向發(fā)展出宏觀裂紋,使其沿最小主應(yīng)力方向開裂,且在裂紋發(fā)展端面棱邊處易產(chǎn)生宏觀破壞區(qū);當水平應(yīng)力差較小時,試件失效可能不形成宏觀體積破壞,僅在表面產(chǎn)生呈X型分布的裂紋束。

(3)由于基質(zhì)與礫石顆粒強度的差異,基質(zhì)的壓縮變形使礫石承受力矩,最終導(dǎo)致礫石顆粒的剪切破壞及裂紋繞礫發(fā)展。