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(guó)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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