張玲
摘要:以砂巖為代表,進(jìn)行巖石常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)和單試件多級(jí)破壞三軸實(shí)驗(yàn)。利用直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和指數(shù)準(zhǔn)則對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)情況下得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,找出兩種情況下獲得數(shù)據(jù)的相互關(guān)系,從而測(cè)定單試件多級(jí)破壞三軸實(shí)驗(yàn)適用條件極其存在的局限性。研究表明該方法測(cè)得的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角小于常規(guī)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),利用修正公式可進(jìn)行修正。
關(guān)鍵詞:巖石力學(xué);三軸實(shí)驗(yàn);單試件;多級(jí)圍壓
1、引言
鉆井過程實(shí)際是鉆頭不斷地對(duì)其鉆遇的巖石進(jìn)行破壞最終形成井眼的過程。井眼形成之前,地層深處的巖石在原地應(yīng)力作用下處于包括上覆巖層壓力和兩個(gè)水平主應(yīng)力在內(nèi)的三向應(yīng)力狀態(tài);井眼形成過程中,巖石被鉆頭不斷地破壞,粉碎成巖屑,并由鉆井循環(huán)介質(zhì)從井底攜帶而出。隨著我國油氣勘探逐漸向深部地層的深入,壓實(shí)效應(yīng)對(duì)地層巖石機(jī)械破碎性質(zhì)的影響越來越犬,因而開展巖石在三軸應(yīng)力條件下的力學(xué)特性測(cè)試并探索其在三軸應(yīng)力條件下的壓實(shí)規(guī)律,是石油鉆并工程中巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。由于現(xiàn)場(chǎng)工程特點(diǎn)工程中很難取到巖石試件,試驗(yàn)中往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不足以及較為離散等情況,給試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理帶來麻煩。采用單塊或少量的試件進(jìn)行多級(jí)圍壓下三軸實(shí)驗(yàn)可以有效解決這個(gè)問題。
2、實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓巖石硬度與聲波測(cè)定裝置,可以進(jìn)行常溫常壓條件下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),高溫高壓條件下的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、硬度與聲波實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)步驟:
(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖芯進(jìn)行取芯、打磨加工;
(2)將巖芯處理好,置于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi),校對(duì)好各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài),準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn);
(3)開始實(shí)驗(yàn)時(shí),先對(duì)巖石試件加圍壓至指定值,隨后對(duì)其軸向加壓至恒定值,通過軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)力一位移曲線的走勢(shì),當(dāng)發(fā)現(xiàn)曲線上升的速率減緩并開始有趨近于零的趨勢(shì)時(shí),停止軸向載荷加載,中止實(shí)驗(yàn);
(4)上一步驟未破壞只是發(fā)生塑性變形的巖石試件不取出,再次開始實(shí)驗(yàn),改變圍壓至另一數(shù)值,軸向載荷開始繼續(xù)加載至另一恒定值,繼續(xù)通過軟件檢測(cè)應(yīng)力——位移曲線走勢(shì),在上述中止實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中止實(shí)驗(yàn),同樣要保證巖石試件只是發(fā)生塑性變形而未破壞;
(5)重復(fù)上述步驟直至盡可能達(dá)到實(shí)驗(yàn)需要的圍壓,停止實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將實(shí)驗(yàn)設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài),清理實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
選取砂巖作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,用常規(guī)方法和單試件多圍壓的方法進(jìn)行巖石不同圍壓下的三軸實(shí)驗(yàn),可得到應(yīng)力——位移曲線圖1和圖2
3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析
三軸壓縮試驗(yàn)的目的是為了確定不同圍壓條件下巖石的強(qiáng)度參數(shù):三軸抗壓強(qiáng)度;粘聚力;內(nèi)摩擦角φ。
巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則形式在巖土工程界一直都是最熱門的研究,截止目前,有上百個(gè)模型和準(zhǔn)則被各個(gè)學(xué)者提出,并對(duì)已有的強(qiáng)度準(zhǔn)則不斷地進(jìn)行修正、改進(jìn),關(guān)于強(qiáng)度準(zhǔn)則的應(yīng)用研究論文則數(shù)以萬計(jì)。但是現(xiàn)行的強(qiáng)度準(zhǔn)則均有一定的適用范圍和應(yīng)用條件,能夠普遍適用的強(qiáng)度準(zhǔn)則至今未能被提出來。隨著石油工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展進(jìn)步,巖石的強(qiáng)度理論也已成為中不可缺少的基礎(chǔ)理論之一,并廣泛應(yīng)用于井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、套管強(qiáng)度校核、地層出沙預(yù)測(cè)、水力壓裂等工程問題。石油工程中普遍采用的強(qiáng)度準(zhǔn)則有很多,如直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、Drucker-Prager準(zhǔn)則、Griffith準(zhǔn)則而這些準(zhǔn)則無一不存在缺陷和不足,需要仔細(xì)探究其適用性,才能夠保證強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)用的客觀性、科學(xué)性。在工程計(jì)算中指數(shù)準(zhǔn)則和直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則較為適合三軸實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理。
根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),通過直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則來計(jì)算巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦角φ,其計(jì)算公式為:
針對(duì)砂巖巖樣通過多次實(shí)驗(yàn)可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1,兩種實(shí)驗(yàn)下強(qiáng)度和圍壓的關(guān)系圖見圖3。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以得到,用單試件三軸實(shí)驗(yàn)方法得到的數(shù)據(jù)比常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)方法得到的數(shù)據(jù)小,單試件實(shí)驗(yàn)峰值強(qiáng)度是常規(guī)峰值強(qiáng)度的90%左右,粘聚力是常規(guī)峰值強(qiáng)度的80%左右。
因?yàn)閹r石內(nèi)部構(gòu)造離散性和不穩(wěn)定性,并不能以單純線性關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià),因此采用指數(shù)準(zhǔn)側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以此來研究確定上述規(guī)律是否正確。
指數(shù)型準(zhǔn)則從中間主應(yīng)力和圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響特征出發(fā),利用控制擬合曲線走向的方法分別構(gòu)造兩種指數(shù)形式的公式聯(lián)合表示巖石的真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則。
通過指數(shù)準(zhǔn)側(cè)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,處理結(jié)果見表2,指數(shù)準(zhǔn)則常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法和單試件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)σ3與σ1-σ3關(guān)系圖見圖4。
通過指數(shù)準(zhǔn)側(cè)可以看出,利用常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)方法情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)誤差較小,且較為平均。單試件多級(jí)圍壓三軸實(shí)驗(yàn)情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)誤差較大,但是隨著圍壓增大,誤差越小,越與常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)方法數(shù)據(jù)接近。顯現(xiàn)出這種趨勢(shì)的原因是多級(jí)連續(xù)加載作用于巖石試件上的效果在不斷接近常規(guī)直接加載的效果,致使在高圍壓時(shí)巖石試件被壓密的程度與層層疊加產(chǎn)生的程度趨于一致,因此在數(shù)值上越來越接近。
單試件三軸實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)比常規(guī)實(shí)驗(yàn)小,在不考慮人為選取屈服點(diǎn)存在誤差情況下,主要原因是在每一級(jí)圍壓下,試件不可避免的發(fā)生了宏觀或者微觀破壞,除第一級(jí)圍壓以外,以后每一級(jí)圍壓測(cè)得的強(qiáng)度都小于同等圍壓下常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度。因?yàn)榈蛧鷫呵闆r下直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則誤差較小,利用直線型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行修正,原理見圖5。
C和D分別為兩級(jí)圍壓下強(qiáng)度峰值,和
分別是多級(jí)圍壓情況下的峰值強(qiáng)度。單試件法試驗(yàn)中,在施加第二級(jí)圍壓
后,由于圍壓增大使巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,又落在了屈服面內(nèi),巖石強(qiáng)度隨應(yīng)變繼續(xù)增大,但單試件法第二級(jí)圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線是從常規(guī)三軸試驗(yàn)中
單獨(dú)作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線的F點(diǎn)開始的,應(yīng)力應(yīng)變曲線到達(dá)峰值d點(diǎn)后,巖石試件的強(qiáng)度
小于常規(guī)三軸試驗(yàn)中在
單獨(dú)作用下的
,這樣得到的強(qiáng)度
比
就小了
,因而根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則單試件法測(cè)出來值偏小。
由圖5可知
同理可用此方法修正其他圍壓情況下的強(qiáng)度值。
存在問題:
(1)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備和巖樣性質(zhì)限制,使用單試件進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn),圍壓到40MPa時(shí),巖樣往往發(fā)生破裂,無法繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因此無法驗(yàn)證更高圍壓情況下指數(shù)準(zhǔn)側(cè)計(jì)算誤差是否會(huì)變更小。
(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)加載停止的點(diǎn)難以把握。人的肉眼在觀察到發(fā)生屈服并作出中止加載的過程是有一定的時(shí)間間隔的。即便不要求剛剛發(fā)生屈服即中止加載,那么屈服作用的時(shí)間多少才是合適的并沒有明確的規(guī)定。
(3)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則只適用于低圍壓情況下,當(dāng)圍壓超過40MPa時(shí),該修正是否合適無法驗(yàn)證。
4、結(jié)論
(1)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用單試件多級(jí)破壞的三軸實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定巖石性質(zhì)是可行的,可以解決石油工程中取芯難,獲得巖樣數(shù)量少,實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)離散性較大等問題。
(2)在圍壓小于40MPa情況下,利用單試件多級(jí)破壞三軸實(shí)驗(yàn)測(cè)定的巖石粘聚力和內(nèi)摩擦角比用常規(guī)方法測(cè)定的要小。原因是在實(shí)驗(yàn)過程中巖石不可避免的會(huì)發(fā)生微觀和宏觀變化,且在屈服點(diǎn)的選取上也存在人為誤差。
(3)在低圍壓情況下,可利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)單試件實(shí)驗(yàn)方法得到的應(yīng)力峰值進(jìn)行修正,即用當(dāng)期圍壓下的彈性模量乘以前一級(jí)圍壓下峰值點(diǎn)處應(yīng)變與前一級(jí)峰值強(qiáng)度的差來修正當(dāng)期圍壓下的峰值強(qiáng)度。
參 考 文 獻(xiàn)
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