圍壓作用下?lián)p傷鹽巖自愈合特性試驗(yàn)研究

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(shí)非常低的滲透率、良好的蠕變行為和損傷自愈等物理特點(diǎn)，常常被廣泛應(yīng)用于地下儲(chǔ)庫（石油、天然氣、高放射性廢物）的理想儲(chǔ)存介質(zhì)。其中鹽巖的自愈合特性對(duì)于儲(chǔ)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(yàn)。分析了在圍壓恢復(fù)作用下對(duì)鹽巖應(yīng)變恢復(fù)和損傷愈合進(jìn)程的影響。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方案

1.1 試樣制備及試驗(yàn)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(jí)工程實(shí)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(duì)每個(gè)巖芯進(jìn)行聲波試，對(duì)波速相近的巖芯經(jīng)實(shí)驗(yàn)室加工形成φ50×100mm 圓柱形實(shí)體試樣，試樣見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)前后試樣對(duì)比圖

試驗(yàn)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?cè)囼?yàn)機(jī)，見圖2。該實(shí)驗(yàn)儀器可以完成不同水壓下三軸試驗(yàn)和三軸流變?cè)囼?yàn)等巖石力學(xué)試驗(yàn)，其主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）最大試驗(yàn)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?cè)囼?yàn)機(jī)

1.2 試驗(yàn)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(duì)試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解鹽巖試樣的基本力學(xué)特性，然后對(duì)其進(jìn)行不同圍壓的恢復(fù)試驗(yàn)A1、A2、A3；不同圍壓試驗(yàn)：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(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）采用熱縮管對(duì)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(jì)調(diào)試，放下壓力缸，采用位移控制方式將放置試樣的平臺(tái)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(yàn)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(huì)得到部分愈合，表現(xiàn)鹽巖的強(qiáng)度得到一定的提升，為探索鹽巖強(qiáng)度與損傷之間的聯(lián)系，對(duì)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(duì)比圖進(jìn)行研究，其中第一次加載表示對(duì)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(yàn)后再次加載至破壞的階段。

2.1 三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖3 B1（10MPa）實(shí)驗(yàn)前后應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比圖

圖4 B2（15MPa）實(shí)驗(yàn)前后應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比圖

圖5 B3（20MPa）實(shí)驗(yàn)前后應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比圖

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

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

2.2 恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由圖6 可知，鹽巖在經(jīng)過損傷恢復(fù)試驗(yàn)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(qiáng)度在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)隨著圍壓的增加而增加；同時(shí)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(qiáng)度會(huì)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(qiáng)度會(huì)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(qiáng)度在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)隨著圍壓的增加而增加；同時(shí)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。