張　俊, 周　文, 李雙貴, 單鈺銘, 尹　帥, 謝潤(rùn)成, 鄭蓮慧

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；

2.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083)

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高應(yīng)力條件下膏泥巖動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)特征試驗(yàn)分析

張俊1, 周文2, 李雙貴1, 單鈺銘2, 尹帥3, 謝潤(rùn)成2, 鄭蓮慧2

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；

2.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083)

[摘要]高應(yīng)力條件下膏泥巖動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)特征研究對(duì)分析地下深層或高應(yīng)力地區(qū)膏泥巖力學(xué)狀態(tài)、蠕變擴(kuò)容約束因素、地下工程或容腔安全設(shè)計(jì)及地下空間應(yīng)力場(chǎng)模擬等方面意義重大。通過(guò)對(duì)地下膏泥巖取樣并開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：高應(yīng)力條件下膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為4個(gè)階段，時(shí)間-應(yīng)變曲線大致分為3個(gè)階段；硬石膏含量增加能提高巖樣的強(qiáng)度、模量及泊松比，同時(shí)延緩巖石的弱化，但在高應(yīng)力系統(tǒng)下巖樣具有較為明顯的蠕變擴(kuò)容特征；在45%和79%屈服水平下，屈服應(yīng)力點(diǎn)之后塑性應(yīng)變比例差異不大；有效圍壓50 MPa條件下，楊氏模量隨著偏應(yīng)力的增加而降低，泊松比隨著偏應(yīng)力的增加而增加；硬石膏體積分?jǐn)?shù)>50%的樣品內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角比硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%的樣品分別高35.7%和10.2%，表明雖然膏泥巖在高應(yīng)力條件下易發(fā)生擴(kuò)容蠕變，但硬石膏相對(duì)泥質(zhì)而言能提高巖石抗剪切破壞的能力；根據(jù)動(dòng)態(tài)資料計(jì)算的膏泥巖力學(xué)參數(shù)與靜力學(xué)參數(shù)類似，高應(yīng)力條件下硬石膏含量高的樣品其動(dòng)力學(xué)參數(shù)值也相對(duì)大一些，不同成分膏泥巖樣品具有統(tǒng)一線性變化規(guī)律。

[關(guān)鍵詞]高應(yīng)力；膏泥巖；應(yīng)力；應(yīng)變；偏應(yīng)力；抗剪強(qiáng)度；力學(xué)參數(shù)

膏泥巖作為一種特殊類型巖石具有封閉高壓的能力[1]且在一定外載荷條件下可以發(fā)生蠕變[2]，而地下高應(yīng)力條件下這種蠕變會(huì)加劇，晶體聚集處隨著偏應(yīng)力增加而發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化(滑移位錯(cuò))。當(dāng)膏泥巖與開(kāi)采煤層或鹽容腔相伴生時(shí)，在高頂板覆壓下可能會(huì)導(dǎo)致巷道[3]或容腔[4]變形；在油田鉆探中，當(dāng)鉆遇膏泥巖層時(shí)會(huì)干擾膏泥巖地層原位地應(yīng)力的平衡，在這種非平衡狀態(tài)下膏泥巖會(huì)發(fā)生蠕變擴(kuò)容最終導(dǎo)致過(guò)度變形，產(chǎn)生一系列的破壞[5]。例如鉆井施工中的套管變形、起下鉆掛卡等。在高應(yīng)力地區(qū)，地下空間(洞室)工程會(huì)造成圍巖的卸荷，產(chǎn)生應(yīng)力分帶及巖體內(nèi)部應(yīng)力集中，而膏泥巖的蠕變可能會(huì)使脆性圍巖的彈性應(yīng)變能持續(xù)增加，最終造成巖爆[6]。除此之外，硬石膏的存在還能發(fā)生水化膨脹產(chǎn)生巨大應(yīng)力，同時(shí)，溶解產(chǎn)生硫酸鹽造成酸性環(huán)境，進(jìn)而使隧道等地下空間結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化[7]。因而加強(qiáng)高應(yīng)力條件下膏泥巖力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)深層膏泥巖高效鉆進(jìn)、巷道或容腔安全設(shè)計(jì)、地下空間應(yīng)力場(chǎng)模擬及地下工程安全措施設(shè)計(jì)等方面具有重大意義。前人對(duì)膏泥巖的研究主要是針對(duì)其蠕變特性(例如：應(yīng)力應(yīng)變[8]、高溫晶型變化[9]、蠕變本構(gòu)方程[10,11]等方面)，但研究的應(yīng)力系統(tǒng)(有效圍壓及軸向差應(yīng)力)均較低，不能反映地下深層或高應(yīng)力狀態(tài)下膏泥巖力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，且以往膏泥巖力學(xué)性質(zhì)研究中在動(dòng)靜參數(shù)相結(jié)合方面研究較少。本文利用“MTS巖石物理測(cè)試系統(tǒng)”測(cè)試結(jié)果對(duì)高應(yīng)力體系下膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變特征進(jìn)行分析，同時(shí)總結(jié)了部分力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)變化規(guī)律及組分含量對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，以期為高應(yīng)力態(tài)膏泥巖進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1樣品信息及試驗(yàn)方法

1.1樣品及儀器基本信息

膏泥巖試驗(yàn)樣品取自新疆地區(qū)古近系，埋深3 653～3 658 m，采用空心鉆機(jī)干鉆并用切片機(jī)干切將其兩端切平，獲得樣品7組，共28個(gè)，樣品直徑為25 mm、長(zhǎng)度為50 mm，主要成分為硬石膏(CaSO4)和泥質(zhì)，兩種成分體積分?jǐn)?shù)(φ)之和為76%～99%，此外還含有少量白云石、微量石英粉砂、碳屑、氧化鐵等，重礦物鋯石偶見(jiàn)。儀器采用美國(guó)進(jìn)口的“MTS巖石物理測(cè)試系統(tǒng)”對(duì)巖樣進(jìn)行力學(xué)與聲學(xué)同測(cè)，其伺服范圍：圍壓≤140 MPa，孔壓≤70 MPa，溫度≤200℃，壓力傳感器誤差<1%，軸向位移傳感器量程-50～+50 mm，位移分辨精度0.000 1 mm。

1.2試驗(yàn)條件

對(duì)于試驗(yàn)條件的選擇，由于取心段實(shí)測(cè)溫度為85～87℃，因此設(shè)置為85℃；該層位為正常壓實(shí)，壓力系數(shù)為1，上覆壓力(85 MPa左右)-地層壓力(35 MPa左右)約為50 MPa，因而試驗(yàn)設(shè)置孔壓10 MPa，圍壓60 MPa，從而使有效圍壓(圍壓-孔壓)為50 MPa。取心段所屬地層應(yīng)力特征復(fù)雜且研究程度較低，從少量試驗(yàn)測(cè)試(聲發(fā)射和差應(yīng)變)結(jié)果來(lái)看，水平最大主應(yīng)力變化范圍較大，在60～90 MPa范圍內(nèi)變化且在縱橫方向上可能會(huì)有更大差異。試驗(yàn)方法為首先將熱縮管套住巖樣并由一側(cè)向另一側(cè)均勻加熱，使巖樣柱體段密封，兩端敞開(kāi)并剪平，然后將巖樣置于MTS儀器內(nèi)固定，安裝縱橫向高精度引伸計(jì)，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。巖樣的縱橫波則通過(guò)超聲波脈沖發(fā)射及接受控制盒完成，超聲波換能器中心頻率為1 MHz，最終讀數(shù)為軟件處理轉(zhuǎn)化后數(shù)值。

1.3試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)為力學(xué)與聲學(xué)同測(cè)，對(duì)于每一個(gè)樣品力學(xué)測(cè)試值都帶有相應(yīng)的縱橫波速度值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì)7組樣品中每組4個(gè)樣分別進(jìn)行單軸(常溫25℃)和有效圍壓15 MPa、30 MPa、50 MPa(孔壓10 MPa，溫度85℃)測(cè)試，這樣可以對(duì)各級(jí)圍壓條件下巖樣的應(yīng)力、應(yīng)變及破壞特征進(jìn)行對(duì)比。由于本文主要研究高應(yīng)力模擬地下條件巖樣動(dòng)靜參數(shù)特征，因此主要介紹每組中圍壓加至60 MPa樣品的加載路徑。首先以0.05 MPa/s速率加載圍壓，待圍壓加至20 MPa時(shí)開(kāi)始加載孔壓，加載速率為0.2 MPa/s，待孔壓加至10 MPa時(shí)停止加載并保持恒定。圍壓持續(xù)加載并加至60 MPa時(shí)保持恒定，然后加載軸壓，加載速率為3.6×10-3s-1，待加載至試樣破壞，承載力出現(xiàn)急劇降低時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

2應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

單軸條件下膏泥巖樣品基本呈現(xiàn)線彈性變形，脆性破壞，而三軸條件下(85℃)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征如圖1所示?？v軸為軸向差應(yīng)力(σ1-σ3，或稱軸壓。其中σ1為軸向應(yīng)力，σ2、σ3為有效圍壓，σ2=σ3=50 MPa)，橫軸為應(yīng)變，ε1為軸向應(yīng)變，ε2和ε3為環(huán)向應(yīng)變，ε2=ε3，εv為體積應(yīng)變。三軸條件下巖樣呈現(xiàn)彈-塑性變形，起始?jí)好芏挝挥谄鹗键c(diǎn)至A(對(duì)應(yīng)εv的A’)段內(nèi)，壓密特征并不顯著，曲線從起始點(diǎn)至B點(diǎn)呈線彈性變化特征，為ε1變化的第①個(gè)階段。其他幾個(gè)階段分別為：②B至C(對(duì)應(yīng)εv的B’至C’)，非線性穩(wěn)定延展階段。由A’至B’向外延伸至M，曲線εv從B’開(kāi)始向左偏離直線B’M，此時(shí)同一軸壓下外延直線上對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變與εv上對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變之差可以作為巖石擴(kuò)容的量度，因此巖樣從B或B’點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)生擴(kuò)容。曲線發(fā)生偏離的主要原因?yàn)殡S著軸壓的升高，巖樣內(nèi)部微裂隙及孔隙進(jìn)一步穩(wěn)定延展及變形。③C至D(對(duì)應(yīng)εv的C’至D’)，非線性非穩(wěn)定延展及破壞階段。C’點(diǎn)為體積應(yīng)變的最大值，哈德利認(rèn)為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸壓可使剪切面產(chǎn)生滑移[12]，同時(shí)C’為應(yīng)變率的分界點(diǎn)，由于εv=ε1-2ε2，由圖中變化規(guī)律可知C’之前軸向應(yīng)變率>環(huán)向應(yīng)變率，C’之后軸向應(yīng)變率<環(huán)向應(yīng)變率，該變化階段巖樣內(nèi)部復(fù)雜微裂隙及孔隙進(jìn)一步擴(kuò)展、變形并產(chǎn)生一定剪裂滑移，軸向變形呈現(xiàn)較明顯的延性特征，環(huán)向應(yīng)變加大。該樣品硬石膏的體積分?jǐn)?shù)為90%，體積應(yīng)變?cè)贓點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)值；對(duì)于硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%的樣品，試驗(yàn)中未出現(xiàn)E點(diǎn)及負(fù)值，表明對(duì)于泥質(zhì)來(lái)說(shuō)，軸向應(yīng)變對(duì)體積應(yīng)變的貢獻(xiàn)更大。④D之后(對(duì)應(yīng)εv的D’之后)，峰后應(yīng)力銳減階段。

圖1　應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征Fig.1　Curve characteristics of stress and strain

圖2　時(shí)間-應(yīng)變曲線特征Fig.2　Curve characteristics of time and strain

3時(shí)間-應(yīng)變曲線特征

三軸模擬地層條件下巖樣時(shí)間-應(yīng)變曲線如圖2，環(huán)向應(yīng)變?nèi)〗^對(duì)值，有效圍壓為50 MPa，溫度85℃，該樣品硬石膏的體積分?jǐn)?shù)為55%，泥質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)為35%，取較高軸向差應(yīng)力(約為171 MPa)時(shí)間段時(shí)間-應(yīng)變曲線(圖2)進(jìn)行分析。觀察ε1曲線可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率(斜率)大致可以分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段從起始到A，應(yīng)變率比較低。由于是在較高軸向差應(yīng)力條件下，所以應(yīng)變起伏變化不是很明顯，一般在常溫常壓較低軸向差應(yīng)力下可觀察到較大的起始應(yīng)變率，隨后出現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。第二個(gè)階段從A到B，B為軸向差應(yīng)力最大值點(diǎn)，該階段應(yīng)變率為一較穩(wěn)定的定值。第三個(gè)階段從B到最后，應(yīng)變率比較高，并呈現(xiàn)加速應(yīng)變的趨勢(shì)。環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變類似，表明巖樣橫向上膨脹剪裂速率逐漸加快，最終導(dǎo)致破壞，巖樣體積應(yīng)變變化幅度較小。

4組分含量對(duì)膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變的影響

4.1對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

分析組分對(duì)膏泥巖樣品(表1)應(yīng)力應(yīng)變影響如圖3，其中每個(gè)樣品都結(jié)束于偏應(yīng)力最大值點(diǎn)，超過(guò)該點(diǎn)應(yīng)力開(kāi)始跌落。首先對(duì)相同樣品間對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力之間的線性關(guān)系要優(yōu)于環(huán)向應(yīng)力與偏應(yīng)力，且后者應(yīng)力、應(yīng)變變化相對(duì)滯后。這主要是因?yàn)檩S向應(yīng)變的產(chǎn)生直接受控于軸壓，而環(huán)向應(yīng)變的產(chǎn)生間接受控于軸壓，應(yīng)力在巖石內(nèi)部復(fù)雜細(xì)觀構(gòu)造間不斷分解傳播，最終與圍壓共同作用下影響環(huán)向應(yīng)變。

表1　樣品信息及測(cè)試結(jié)果

圖3　偏應(yīng)力-應(yīng)變分析圖Fig.3　Analysis diagram of deviatoric stress and strain

結(jié)合表1可以看出，隨著硬石膏含量的增加，三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比大致都呈增大的趨勢(shì)。本次試驗(yàn)溫度為85℃，一般認(rèn)為該溫度不會(huì)使硬石膏產(chǎn)生弱化或滑移系[9]。對(duì)比T-6.4和T-26.1樣品軸向及環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征可以看出，在較高偏應(yīng)力條件下T-26.1會(huì)首先弱化，對(duì)于T-30.10和T-31.5樣品，T-31.5會(huì)首先弱化，首先弱化的均為硬石膏含量相對(duì)較低的樣品，因此對(duì)于膏泥巖來(lái)說(shuō)，硬石膏含量的增加會(huì)使巖樣的弱化延遲。但通過(guò)對(duì)圖3偏應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)變變化關(guān)系可以看出，硬石膏含量高的巖樣在到達(dá)偏應(yīng)力最大值之前應(yīng)變延性段較長(zhǎng)，因此，在地層條件下一般認(rèn)為高溫會(huì)使巖石中礦物原子和離子等粒子被激發(fā)[13]，產(chǎn)生時(shí)間較長(zhǎng)的蠕變行為；而本文中膏泥巖在高應(yīng)力條件下，礦物顆粒具有巨大能量，也會(huì)產(chǎn)生時(shí)間較長(zhǎng)的蠕變行為，一旦被激發(fā)則微小的變形可能會(huì)產(chǎn)生巨大的額外應(yīng)力[14]。

圖4　塑性應(yīng)變比例Fig.4　Ratio of plastic strain

4.2組分對(duì)屈服應(yīng)力的影響

屈服應(yīng)力指巖樣壓縮中應(yīng)變隨應(yīng)力增加呈現(xiàn)急劇增加的點(diǎn)，通過(guò)對(duì)11個(gè)樣品三軸條件下軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，膏泥巖屈服應(yīng)力大致出現(xiàn)在45%和79%水平處(圖4)，泥質(zhì)含量高(體積分?jǐn)?shù)>50%)的樣品強(qiáng)度較低，主要含黏土成分，屈服較早。越過(guò)該點(diǎn)便進(jìn)入下一階段塑性應(yīng)變階段，直至最高強(qiáng)度及最終破壞。作硬石膏含量與屈服點(diǎn)之后塑性應(yīng)變占比圖(圖4)，可以看出屈服應(yīng)力越大，之后塑性應(yīng)變比例越小。不同樣品硬石膏含量相差較大，但屈服水平為0.45時(shí)，塑性應(yīng)變比例大致在80%～90%；屈服水平為0.79時(shí)，塑性應(yīng)變比例大致在40%～70%。隨著硬石膏含量的增加，巖石三軸強(qiáng)度逐漸升高，屈服時(shí)間相對(duì)滯后，從而使不同組分試樣塑性應(yīng)變比例變化范圍不大。

圖5　偏應(yīng)力對(duì)靜態(tài)楊氏模量及泊松比的影響Fig.5　Influence of deviatoric stress on the static Young’s modulus and the Poisson’s ratio

5力學(xué)參數(shù)特征

5.1靜態(tài)力學(xué)參數(shù)

5.1.1靜態(tài)楊氏模量與泊松比

高有效圍壓(50 MPa)下偏應(yīng)力對(duì)膏泥巖楊氏模量和泊松比的影響如圖5，起初楊氏模量隨著偏應(yīng)力的增加而迅速降低，對(duì)應(yīng)起始?jí)好芏危浑S后楊氏模量出現(xiàn)小段起伏，但整體隨著偏應(yīng)力的增加而逐漸減小，表明膏泥巖在較高應(yīng)力條件下逐漸發(fā)生塑性形變；最后段楊氏模量降低速率加快，表明高軸向應(yīng)力逐漸超過(guò)了巖樣的承受能力，巖樣內(nèi)部出現(xiàn)剪裂滑移，最終導(dǎo)致破壞。在有效圍壓為50 MPa條件下，泊松比隨著偏應(yīng)力的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，對(duì)于起始較高的泊松比，由于只有幾個(gè)點(diǎn)所以不具代表性。泊松比具有離散型，因此會(huì)出現(xiàn)起伏[15]，且泊松比為環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值，因此泊松比逐漸增長(zhǎng)表明環(huán)向應(yīng)變相對(duì)軸向應(yīng)變而言增長(zhǎng)幅度更大；特別在最后高偏應(yīng)力階段，泊松比呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明膏泥巖樣品在高應(yīng)力條件下易發(fā)生擴(kuò)容蠕變。

5.1.2膏泥巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)

通過(guò)膏泥巖抗壓強(qiáng)度和有效圍壓之間的線性關(guān)系可以確定巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)——內(nèi)聚力(C)和內(nèi)摩擦角(θ)，最終結(jié)果如表2，試驗(yàn)中所取巖樣較為完整，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際地層條件下的力學(xué)參數(shù)具有一定差別[16]。通過(guò)平均值可以看出，硬石膏含量高、泥質(zhì)含量相對(duì)低的樣品內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角都相對(duì)高一些，其中內(nèi)聚力尤為明顯。硬石膏體積分?jǐn)?shù)>50%巖樣的內(nèi)聚力比硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%的巖樣高約35.7%，內(nèi)摩擦角高約10.2%，表明硬石膏能提高膏泥巖抗剪切破壞的能力。該分析結(jié)果與前面組分含量對(duì)應(yīng)力應(yīng)變特征分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。但該結(jié)論與一些文獻(xiàn)中[5,8～10,17]所描述的深層膏質(zhì)泥巖或含泥、含鹽的膏巖具有較大蠕變性之間具有一定差異，主要是溫度和成分等因素不同造成的。文中的膏泥巖主要成分為無(wú)水CaSO4和泥質(zhì)，其余成分較少(不含流變性強(qiáng)的NaCl成分)，且地層溫度較低，因而巖石內(nèi)各礦物成分物理化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。

對(duì)研究區(qū)目的層膏泥巖段統(tǒng)計(jì)，其中5口井采用常規(guī)套管(外徑250.83 mm)，固井質(zhì)量良好—優(yōu)秀，鉆井液密度適當(dāng)提至1.55～1.75 g/cm3即可保持井徑規(guī)則，防止擴(kuò)徑或蠕變。當(dāng)使用高強(qiáng)度套管(外徑265.13 mm)時(shí)，鉆井液密度提至1.71～1.8 g/cm3,無(wú)擴(kuò)徑現(xiàn)象。對(duì)于另外4口井中的鹽巖層段(NaCl)，采用常規(guī)套管，固井良好，將鉆井液密度提至1.7～1.75 g/cm3，下套管11～45天后出現(xiàn)套管變形，采用高強(qiáng)度套管的12口井鹽巖段無(wú)變形。以上表明膏泥巖層物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)鹽巖層來(lái)說(shuō)更為穩(wěn)定，可以采取一定措施防止其蠕變的發(fā)生。

表2　膏泥巖抗剪參數(shù)測(cè)試結(jié)果

5.2動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

5.2.1動(dòng)態(tài)楊氏模量與泊松比

動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比由波速計(jì)算獲得

(1)

μ=0.5(vP2-2vS2)/(vP2-vS2)

(2)

式中：E為楊氏模量(GPa)；ρ為巖石密度(g/cm3)；vP與vS分別為縱波和橫波的速度(m/s)；μ為泊松比。

試驗(yàn)中隨著有效圍壓的增加巖樣不斷壓實(shí)，表現(xiàn)為縱橫波速度逐漸增加。通過(guò)統(tǒng)計(jì)：對(duì)于硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%的樣品，常溫常壓下vP和vS平均值分別為3 836m/s和 2 300m/s，高應(yīng)力(有效圍壓50MPa，85℃)條件下，vP和vS平均值分別為4 278m/s和2 562m/s，漲幅分別為11.5%和11.4%；對(duì)于硬石膏體積分?jǐn)?shù)>50%的樣品，常溫常壓下vP和vS平均值分別為5 637m/s和3 082m/s；高應(yīng)力條件下，vP和vS平均值分別為5 826m/s和3 214m/s，漲幅分別為3.4%和4.3%，這主要是由于硬石膏具有致密(ρ>2.9 g/cm3)、極低孔特征，而泥質(zhì)的壓實(shí)變化較大，因此當(dāng)硬石膏含量較大時(shí)波速更大且隨有效圍壓增加增幅較小。最終計(jì)算的楊氏模量隨著波速的增加而增加，硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%時(shí)常溫常壓下楊氏模量平均值為31.3 GPa，高應(yīng)力條件下平均值為38.8 GPa，漲幅24%；硬石膏體積分?jǐn)?shù)>50%時(shí)常溫常壓下楊氏模量平均值為64.5 GPa，高應(yīng)力條件下平均值為69.7 GPa，漲幅8.1%。泊松比具有離散性，變化范圍大致在0.17～0.3，變異系數(shù)為22%，高硬石膏含量巖樣泊松比略高一些。將高應(yīng)力條件下膏泥巖動(dòng)靜力學(xué)參數(shù)[18]進(jìn)行擬合如圖6，隨著成分不同呈現(xiàn)分區(qū)性，但對(duì)整體進(jìn)行擬合效果很好，表明不同成分巖樣服從統(tǒng)一變化規(guī)律。

圖6　動(dòng)態(tài)與靜態(tài)楊氏模量、泊松比擬合Fig.6　Fitting of dynamic and static Young’s modulus and Poisson’s ratio

5.2.2動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度參數(shù)

(3)

(4)

式中：C為內(nèi)聚力；μd為動(dòng)泊松比；wsh為泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ΔtP為縱波時(shí)差；θ為內(nèi)摩擦角；a、b、A、B為常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果擬合獲取。

圖7　內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值關(guān)系Fig.7　Relationship of model calculated values and measured values of cohesion and internal friction angle

對(duì)于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角采用的動(dòng)態(tài)解釋模型如式(3)和(4)，其中內(nèi)聚力計(jì)算模型為Bruce和Coates在1981年的研究成果，內(nèi)摩擦角計(jì)算模型為石油大學(xué)研究人員(1996)基于大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的。通過(guò)非線性最小二乘法進(jìn)行擬合，上式中a、b、A、B分別為2.38、26.6、-5 851.33、-621.98。將上述模型計(jì)算的膏泥巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)與三軸靜態(tài)實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合(圖7)，可以看出高應(yīng)力條件下兩者相差不大且具有較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，靜態(tài)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角代表了膏泥巖抗剪切破壞的能力，根據(jù)該轉(zhuǎn)換關(guān)系可以通過(guò)聲波等參數(shù)的計(jì)算最終獲得膏泥巖靜態(tài)抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而為地下深層或高應(yīng)力地區(qū)膏泥巖力學(xué)性質(zhì)、工程安全設(shè)計(jì)及應(yīng)力場(chǎng)模擬等提供參考。

6結(jié) 論

a.高應(yīng)力條件下膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為4個(gè)階段，時(shí)間和軸向應(yīng)變曲線大致分為3個(gè)階段，時(shí)間和環(huán)向應(yīng)變曲線與之類似。

b.硬石膏含量增加能提高巖樣的強(qiáng)度、模量及泊松比，同時(shí)延緩巖石的弱化，但在高應(yīng)力系統(tǒng)條件下巖樣具有較為明顯的蠕變擴(kuò)容特征；樣品間組分相對(duì)含量差異較大，但屈服應(yīng)力點(diǎn)之后塑性應(yīng)變比例差異不大。

c.較高有效圍壓(50 MPa)條件下，楊氏模量隨著偏應(yīng)力的增加而降低，泊松比隨著偏應(yīng)力的增加而增加；膏泥巖樣品在高應(yīng)力條件下易發(fā)生擴(kuò)容蠕變，但硬石膏體積分?jǐn)?shù)>50%樣品內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角比硬石膏體積分?jǐn)?shù)<50%樣品分別高35.7%和10.2%，表明硬石膏相對(duì)泥質(zhì)而言能提高膏泥巖抗剪切破壞的能力。

d.根據(jù)聲波計(jì)算的膏泥巖力學(xué)參數(shù)與靜力學(xué)參數(shù)類似，高應(yīng)力條件下硬石膏含量高的樣品其動(dòng)力學(xué)參數(shù)值也相對(duì)大一些，不同成分膏泥巖樣品具有統(tǒng)一的線性變化規(guī)律。

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[第一作者] 石砥石(1969-),男,博士,教授級(jí)高工,主要從事油氣地質(zhì)綜合勘探工作, E-mail:shidishi419@163.com。

Experimental analysis of cream mudstone dynamic-static

mechanical properties under condition of high stress

ZHANG Jun1, ZHOU Wen2, LI Shuang-gui1, SHAN Yu-ming2,

YIN Shuai3, XIE Run-cheng2, ZHENG Lian-hui2

1.EngineeringResearchInstitute,NorthwestOilfieldCompany,SINOPEC,Urumqi830011,China;

2.CollegeofEnergyResource,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;

3.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China

Abstract:Based on the sampling of cream mudstone layer and mechanics experiment, this paper analyses the characteristics of stress and strain. The results show that the cream mudstone stress-strain curve is roughly divided into four phases under the condition of high stress and the time-strain curve is roughly divided into three stages. The anhydrite content can improve the strength, modulus, and Poisson’s ratio, and delay the weakening of rock, but under the condition of high axial differential stress, the rock sample has more obvious expansion and creep characteristics. Under the high effective confining pressure (50 MPa), Young’s modulus decreases with the increase of the deviator stress and Poisson’s ratio increases with the increase of the deviator stress increases. The cohesion and internal friction angle of samples in which anhydrite content is >50% are >35.7% and 10.2% respectively than that of the anhydrite content <50% samples. This show that anhydrite can improve the ability of rock to resist the shear failure. The character of the cream mudstone static mechanical parameters is similar to that of the dynamic mechanical parameters. The study of the stress-strain characteristics of the cream mudstone under the condition of high stress has great implication for the deep analysis of the creep expansion characteristics of the cream mudstone，the safe design of underground engineering, and the simulation of the stress field of underground, etc.

Key words:high stress; cream mudstone; stress; strain; deviatoric stress; shear strength; mechanical parameter

[基金項(xiàng)目]“十二五”國(guó)家重大科技專項(xiàng)(2011ZX05006)。

[收稿日期]2014-11-09。

[文章編號(hào)]1671-9727(2015)06-0673-10

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.05

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][分類號(hào)] TU458.3 A