梁 維 李俊杰 石 潤 李望成

（重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331）

鹽巖的結(jié)構(gòu)致密、孔隙度低、塑性變形能力大，同時非常低的滲透率、良好的蠕變行為和損傷自愈等物理特點，常常被廣泛應(yīng)用于地下儲庫（石油、天然氣、高放射性廢物）的理想儲存介質(zhì)。其中鹽巖的自愈合特性對于儲氣庫的使用安全性和穩(wěn)定性具有重要作用，但是就目前而言，國內(nèi)外關(guān)于損傷鹽巖自愈合特性研究并不深入，只取得部分研究成果，尚且處于起步階段。

本文研究鹽巖在特定環(huán)境下的損傷自恢復(fù)效應(yīng)，通過改變圍壓大小開展了損傷鹽巖保壓恢復(fù)試驗。分析了在圍壓恢復(fù)作用下對鹽巖應(yīng)變恢復(fù)和損傷愈合進(jìn)程的影響。

1 試驗準(zhǔn)備及方案

1.1 試樣制備及試驗設(shè)備

試樣制作：依托學(xué)校與中石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司建立的國家級工程實踐教育中心，選擇該公司在西部地區(qū)油氣井鉆井過程中遇到的深部鹽巖等巖芯，應(yīng)用I-RPT（Rock parameter test）型巖石波速測試儀對每個巖芯進(jìn)行聲波試，對波速相近的巖芯經(jīng)實驗室加工形成φ50×100mm 圓柱形實體試樣，試樣見圖1。

圖1 實驗前后試樣對比圖

試驗儀器選擇：主要采用重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院巖土力學(xué)研究所的TFD-2000 微機(jī)伺服控制巖石三軸流變試驗機(jī)，見圖2。該實驗儀器可以完成不同水壓下三軸試驗和三軸流變試驗等巖石力學(xué)試驗，其主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）最大試驗力2000kN，測量分辨率為10N。

（2）最大圍壓70 MPa，測量分辨率為0.001MPa。

（3）最大孔隙水壓70MPa，最大軸向變形10mm，測量精度。0.5%。

圖2 TFD-2000 微機(jī)伺服控制巖石三軸流變試驗機(jī)

1.2 試驗方案

為研究損傷鹽巖在圍壓條件下恢復(fù)情況，在同一圍壓條件下，先對試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗，得出實驗數(shù)據(jù)，了解鹽巖試樣的基本力學(xué)特性，然后對其進(jìn)行不同圍壓的恢復(fù)試驗A1、A2、A3；不同圍壓試驗：保持試樣峰值應(yīng)力10%的壓力，然后分別以10MPA、15MPA、20MPA 圍壓保持6h，最后進(jìn)行單軸抗壓試驗。實驗步驟如下：

（1）采用熱縮管對試樣進(jìn)行密封，防止測試過程中硅油侵入試樣。待安裝好試樣之后，進(jìn)行軸向與徑向引伸計調(diào)試，放下壓力缸，采用位移控制方式將放置試樣的平臺向上抬升至試樣與壓力桿相接觸的位置。

（2）進(jìn)行充油，等待充油完成。

（3）施加軸向0.1kN 的荷載保證試樣與壓力桿充分接觸，接觸之后施加圍壓開始記錄數(shù)據(jù)。

（4）待圍壓至目標(biāo)值后，采用位移控制以0.5mm/min 的速度將試樣向上抬，直到試樣破壞。

2 試驗結(jié)果分析

鹽巖經(jīng)過損傷恢復(fù)之后，其裂縫界面在圍壓的約束作用下會得到部分愈合，表現(xiàn)鹽巖的強度得到一定的提升，為探索鹽巖強度與損傷之間的聯(lián)系，對該組試樣A1、A2、A3 的進(jìn)行兩次應(yīng)力加載，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖進(jìn)行研究，其中第一次加載表示對完好鹽巖加載至破壞的階段，第二次加載表示損傷鹽巖通過恢復(fù)試驗后再次加載至破壞的階段。

2.1 三軸試驗數(shù)據(jù)分析

圖3 B1（10MPa）實驗前后應(yīng)力應(yīng)變對比圖

圖4 B2（15MPa）實驗前后應(yīng)力應(yīng)變對比圖

圖5 B3（20MPa）實驗前后應(yīng)力應(yīng)變對比圖

圖6 B1、B2、B3軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

該組試驗選取了B1、B2、B3 作為試驗對象進(jìn)行研究。在實驗中，采用在相同的試驗溫度（30℃），相同的穩(wěn)壓時間（即6h 穩(wěn)壓時間），對B1、B2、B3 試樣進(jìn)行不同圍壓（10MPa 15MPa 20MPa）的試驗，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖。由上圖可知，通過試驗前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比發(fā)現(xiàn)，雖然鹽巖在不同圍壓的作用條件下強度會得到部分的恢復(fù)，但其強度會在一定程度上受到損失，不能通過后期的恢復(fù)試驗條件達(dá)到原有的狀態(tài)。

2.2 恢復(fù)試驗數(shù)據(jù)分析

由圖6 可知，鹽巖在經(jīng)過損傷恢復(fù)試驗之后，隨著圍壓的增加，鹽巖峰值應(yīng)力和彈性模量逐漸增大且趨于穩(wěn)定，其強度在試驗條件范圍內(nèi)隨著圍壓的增加而增加；同時圍壓越大，恢復(fù)效果越明顯，表現(xiàn)為鹽巖加載初期的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線斜率逐漸增大，其原因在于鹽巖在圍壓作用下的損傷恢復(fù)階段，大致可以分為快速恢復(fù)階段以及緩慢恢復(fù)階段。在快速恢復(fù)階段中，鹽巖的恢復(fù)速率較快，內(nèi)部大量的孔隙受到側(cè)向周圍壓力而迅速閉合，逐漸得到快速的恢復(fù)。在緩慢恢復(fù)階段中，當(dāng)鹽巖內(nèi)部的孔隙被壓縮到一定的程度后，晶體之間接觸面積的增加導(dǎo)致恢復(fù)速率的減緩。

3 結(jié)論

3.1 不同圍壓條件下，鹽巖強度會得到部分的恢復(fù)，表現(xiàn)為鹽巖裂縫界面部分愈合，但其強度會在一定程度上受到的損失。

3.2 隨著圍壓的增加，鹽巖峰值應(yīng)力和彈性模量逐漸增大且趨于穩(wěn)定，其強度在試驗條件范圍內(nèi)隨著圍壓的增加而增加；同時圍壓越大，恢復(fù)效果越明顯，表現(xiàn)為鹽巖加載初期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸增大。