沖擊載荷下巖石壓脹對其性質的影響＊

王俊奇，王 亮，張 杰

（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

壓脹是存在于巖石中的一種較為特殊的力學特性，主要特征是在一定的三軸不均勻壓應力作用下，巖石體積不縮小反而增加，同時孔隙度和滲透率也增加，強度下降［1］。盡管巖石的壓脹特性很早就被人們發現，但由于實驗條件所限，對巖石壓脹特性的研究主要還集中在靜態條件下（應變率小于5×10－5s－1），對動態條件下（應變率大于10－4s－1）壓脹后巖石的性質還缺乏深入研究［2］，巖石壓脹特性利用方面的研究較少。烏克蘭1975年開始利用壓脹特性進行油井增油試驗，我國于1998年在延長油田試驗壓脹增產技術［3－5］取得了一定的效果，但一些機理問題需要進行深入研究。本文中立足試驗，研究壓脹后巖石滲透率、彈性模量、聲速特性等參數的變化規律，為壓脹增產技術的應用提供理論基礎。

1 實驗裝置及方法

圖1 落錘加載巖石壓脹實驗系統示意圖Fig.1Schematic diagram of drop hammer loading experimental system

目前國內外還沒有專門用于研究空間載荷下巖石壓脹特性的實驗設備。由于壓脹實驗要求巖樣受到的空間應力和應變張量都是沖擊性的，因此，要求實驗裝置必需能模擬地應力和地層壓力（孔隙壓力）的初始應力狀態，能連續記錄應力和應變張量所有的分量及其隨時間的變化，并根據實驗記錄進行分析研究［6］。巖石壓脹動態實驗系統由實驗臺、落錘加載系統、巖樣室、測試系統和泵壓系統組成，系統的總體設計如圖1所示。

實驗臺的運行參數如下：軸向最大沖擊應力，1.5GPa；側向最大沖擊應力，200MPa；額定靜態側向壓力，100MPa；額定孔隙壓力，50MPa；可靠響應頻率，20kHz；載荷脈沖時間，0.2～20ms。

實驗時將準備好的巖樣置于厚壁圓筒中，重錘自由下落對活塞桿施加非完全彈性碰撞并將沖擊載荷傳遞到被測巖樣上，形成沖擊壓力脈沖。承壓容器的壓力腔給被測巖樣提供一個初始的受壓載荷狀態，以模擬地層巖石應力對巖樣軸向加載。數據采集系統將位移、孔隙壓力、周圍壓力、應變數據記錄并存儲在計算機中，通過專用的軟件進行數據回放、轉換和分析，研究巖石在沖擊載荷作用下的壓脹規律。

2 實驗結果分析

巖石不均勻受壓產生的壓脹效應提高了孔隙度從而改變了巖石的滲透率，因此，沖擊載荷下巖石壓脹的變化規律是通過壓脹對滲透率、彈性模量、聲波速度的分析而獲得的。

2.1 壓脹對滲透率的影響

滲透率是評價和開發油氣田的基本參數之一，對巖樣不均勻加載產生的壓脹效應改變了巖石滲透率，造成巖石體積增加，更大程度地影響到滲透率。為了研究壓脹效應對巖石滲透率的影響，先用巖樣流動實驗儀測定壓脹前飽和標準鹽水的巖樣的滲透率K0，然后利用巖石壓脹實驗系統使巖石產生壓脹，最后用巖樣流動實驗儀測定壓脹后飽和標準鹽水的巖樣的滲透率K，實驗結果如圖2～3所示。

圖2 巖石滲透率比值與加載不均勻度關系Fig.2Relation between peremability ratio and loading unevenness

圖3 巖石滲透率比值與壓脹量關系Fig.3Relation between peremability ratio and dilatancy ratio

由圖2中可以看出，滲透率的比值與巖石的性質有關，不同巖質的巖石其滲透率的比值有顯著不同；滲透率的比值隨巖石不均勻加載系數的增加呈指數關系減小，壓脹后滲透率K可由下式來表達

式中：K0為原始滲透率，σ1為巖石彈性強度極限，α、β分別為與巖石性質有關常數，ζ為加載不均勻度。

由圖3中可以看出，滲透率比值的變化與壓脹量（巖石壓脹后體積V與壓脹前體積V0的比值）呈對數關系，開始時隨著壓脹量的增大而迅速增大，隨后逐漸變緩，這主要是壓脹造成微裂紋產生和原有微裂紋的擴展和連通造成的。

圖4 巖石彈性模量與壓脹量關系Fig.4Relation between elasticity modulus and dilatancy ratio

2.2 壓脹對巖石彈性模量的影響

圖4所示為砂巖和灰巖在單軸條件下不同壓脹量與其彈性模量的關系曲線。從圖4中可以看出，隨著壓脹量的增加，巖樣的單軸彈性模量減小，且在開始階段，彈性模量隨壓脹量的增加下降得比較快，之后隨壓脹量的增加，彈性模量下降得較為緩慢。圖5所示為彈性模量與不均勻加載次數之間的關系曲線。從圖5中可以看出，隨著不均勻加載次數的增加，巖石的單軸彈性模量降低，說明了重復加載對巖石的體積壓脹特性有重要影響。

圖6所示為巖石的彈性極限σ1與壓脹量之間的關系圖。從圖6中可以看出，隨著壓脹量的增大，其彈性極限σ1減小，且在開始階段，彈性極限隨壓脹量的增大下降得比較快，之后隨著壓脹量增大，巖石的單軸彈性極限下降得較為緩慢，這與彈性模量的變化是一致的。可見壓脹效應不僅會導致巖石的孔隙度和滲透率增加，同時還會造成巖石的彈性模量和彈性極限的降低。

巖石壓脹后其彈性模量和彈性強度都不同程度減小，這個特點在采礦工程中可以用來增加開采速度，降低采礦成本；另外，在隧道設計和施工過程中必須考慮壓脹特性對隧道安全的不利影響以保證隧道圍巖在開挖后不發生明顯的擴容和破壞。

圖5 巖石彈性模量與不均勻加載次數的關系Fig.5Relation between elasticity modulus and nonuniform loading times

圖6 巖石的彈性極限與壓脹量的關系Fig.6Relation between elastic limit and dilatancy ratio

2.3 壓脹對巖石聲波速度的影響

研究壓脹對巖石聲波速度影響時，利用聲波檢測儀進行測試，用橫波換能器測出巖樣的橫波傳播時間，得出橫波波速，用縱波換能器測出巖樣的縱波傳播時間，得出縱波波速，測試結果如表1所示，表中vs、vp分別為橫波和縱波的波速。

表1 壓脹前后巖石中聲波速度Table 1Sonic velocities before and after dilatancy in rock

從表1中的實驗數據可以看出，巖石出現壓脹效應以后，其橫波和縱波速度都比實驗前有所減小，這是由于壓脹后巖樣內部產生微裂紋及原有微裂紋延伸和擴展所造成孔隙度增加；同時，壓脹后巖石的縱波速度與橫波速度的比值減小，這將會影響巖石的動態彈性模量和泊松比。

3 結 論

從巖石壓脹動態實驗入手，通過室內實驗對壓脹產生后巖石性質的變化進行研究，得到以下結論：

（1）巖石壓脹后其滲透率和孔隙度增加，滲透率增加與巖石不均勻加載系數有關，隨不均勻加載系數的增加，巖石的滲透率減小。

（2）巖石壓脹后不同的巖石聲波傳播速度都有不同程度地降低，同時彈性模量和彈性極限降低，表現為巖石的弱化。

（3）壓脹特性在采礦工程、隧道設計、地質災害分析方面也有著重要的意義。它涉及巖石力學、爆炸力學、材料力學、石油工程等多個學科，對其規律的更深入的認識，還有待進一步研究。

［1］陳宗基，康文法.在巖石破壞和地震之前與時間有關的擴容［J］.巖石力學與工程學報，1983，13（1）：11－21.

CHEN Zong－ji，KANG Wen－fa，et al.Before the earthquake，the rock destruction and expansion of time－related［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1983，13（1）：11－21.

［2］陳宗基，石澤全，于智海，等.用8000kN多功能三軸儀測量脆性巖石的擴容、蠕變及松弛［J］.巖石力學與工程學報，1989（2）：97－118.

CHEN Zong－ji，SHI Ze－quan，YU Zhi－hai，et al.Multi－axis measured with 8000kN brittle rock expansion，creep and relaxation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1989（2）：97－118.

［3］田和金，薛中天，張杰，等.“壓脹松動”增產技術現場試驗研究［J］.石油鉆采工藝，2000，22（2）：46－50.

TIAN He－jin，XUE Zhong－tian，ZHANG Jie，et al.Stimulation technique of“loosening rock by the dilatancy of explosive waves”field test research［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2000，22（2）：46－50.

［4］張杰，田和金，王愛華，等.子長油礦4207裸眼井“壓脹松動”增產技術現場試驗［J］.西安石油學院學報，2000，15（1）：21－22.

ZHANG Jie，TIAN He－jin，WANG Ai－hua，et al.Field test of“loosening rock by the dilatancy of explosive waves”in the open hole well 4207in Zichang oil field［J］.Journal of Xi’an Petroleum Institute，2000，15（1）：21－22.

［5］王愛華，田和金，張杰，等.套管井“壓脹松動”增產技術現場試驗研究［J］.西安石油學院學報，2000，15（1）：17－19.

WANG Ai－hua，TIAN He－jin，ZHANG Jie，et al.Field test of“loosening rock by the dilatancy of explosive waves”in the casing well 4242in Zichang oil field［J］.Journal of Xi’an Petroleum Institute，2000，15（1）：17－19.

［6］張杰，廖紅偉，薛中天，等.“壓脹松動”增產技術［J］.天然氣工業，2006，26（8）：107－109.

ZHANG Jie，LIAO Hong－wei，XUE Zhong－tian，et al.Stimulation technique of“loosening rock by the dilatancy of explosive waves［J］.Natural Gas Industry，2006，26（8）：107－109.