單試件多級破壞三軸實驗方法研究

張玲

摘要：以砂巖為代表，進行巖石常規三軸實驗和單試件多級破壞三軸實驗。利用直線型Mohr-Coulomb準則和指數準則對比兩種實驗情況下得到的數據的準確性，找出兩種情況下獲得數據的相互關系，從而測定單試件多級破壞三軸實驗適用條件極其存在的局限性。研究表明該方法測得的內聚力和內摩擦角小于常規實驗得到的數據，利用修正公式可進行修正。

關鍵詞：巖石力學;三軸實驗;單試件;多級圍壓

1、引言

鉆井過程實際是鉆頭不斷地對其鉆遇的巖石進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力作用下處于包括上覆巖層壓力和兩個水平主應力在內的三向應力狀態;井眼形成過程中，巖石被鉆頭不斷地破壞，粉碎成巖屑，并由鉆井循環介質從井底攜帶而出。隨著我國油氣勘探逐漸向深部地層的深入，壓實效應對地層巖石機械破碎性質的影響越來越犬，因而開展巖石在三軸應力條件下的力學特性測試并探索其在三軸應力條件下的壓實規律，是石油鉆并工程中巖石力學與工程領域的重要研究內容。由于現場工程特點工程中很難取到巖石試件，試驗中往往會出現數據不足以及較為離散等情況，給試驗和數據處理帶來麻煩。采用單塊或少量的試件進行多級圍壓下三軸實驗可以有效解決這個問題。

2、實驗方法

實驗采用高溫高壓巖石硬度與聲波測定裝置，可以進行常溫常壓條件下的單軸壓縮實驗，高溫高壓條件下的三軸壓縮實驗、硬度與聲波實驗。

實驗步驟：

（1）對現場巖芯進行取芯、打磨加工;

（2）將巖芯處理好，置于三軸實驗機內，校對好各個閥門開關狀態，準備開始實驗;

（3）開始實驗時，先對巖石試件加圍壓至指定值，隨后對其軸向加壓至恒定值，通過軟件實時監控應力一位移曲線的走勢，當發現曲線上升的速率減緩并開始有趨近于零的趨勢時，停止軸向載荷加載，中止實驗;

（4）上一步驟未破壞只是發生塑性變形的巖石試件不取出，再次開始實驗，改變圍壓至另一數值，軸向載荷開始繼續加載至另一恒定值，繼續通過軟件檢測應力——位移曲線走勢，在上述中止實驗點中止實驗，同樣要保證巖石試件只是發生塑性變形而未破壞;

（5）重復上述步驟直至盡可能達到實驗需要的圍壓，停止實驗。

實驗結束后，將實驗設備恢復到初始狀態，清理實驗環境，對實驗數據進行分析和處理。

選取砂巖作為實驗對象，用常規方法和單試件多圍壓的方法進行巖石不同圍壓下的三軸實驗，可得到應力——位移曲線圖1和圖2

3、實驗數據處理與分析

三軸壓縮試驗的目的是為了確定不同圍壓條件下巖石的強度參數：三軸抗壓強度;粘聚力;內摩擦角φ。

巖石的強度準則形式在巖土工程界一直都是最熱門的研究，截止目前，有上百個模型和準則被各個學者提出，并對已有的強度準則不斷地進行修正、改進，關于強度準則的應用研究論文則數以萬計。但是現行的強度準則均有一定的適用范圍和應用條件，能夠普遍適用的強度準則至今未能被提出來。隨著石油工程領域的不斷發展進步，巖石的強度理論也已成為中不可缺少的基礎理論之一，并廣泛應用于井壁穩定性評價、套管強度校核、地層出沙預測、水力壓裂等工程問題。石油工程中普遍采用的強度準則有很多，如直線型Mohr-Coulomb準則、Drucker-Prager準則、Griffith準則而這些準則無一不存在缺陷和不足，需要仔細探究其適用性，才能夠保證強度準則應用的客觀性、科學性。在工程計算中指數準則和直線型Mohr-Coulomb準則較為適合三軸實驗中數據的處理。

根據三軸壓縮試驗得到的數據，通過直線型Mohr-Coulomb準則來計算巖石的粘聚力和內摩擦角φ，其計算公式為：

針對砂巖巖樣通過多次實驗可得實驗結果見表1，兩種實驗下強度和圍壓的關系圖見圖3。通過數據對比可以得到，用單試件三軸實驗方法得到的數據比常規三軸實驗方法得到的數據小，單試件實驗峰值強度是常規峰值強度的90%左右，粘聚力是常規峰值強度的80%左右。

因為巖石內部構造離散性和不穩定性，并不能以單純線性關系進行評價，因此采用指數準側對數據進行修正，以此來研究確定上述規律是否正確。

指數型準則從中間主應力和圍壓對強度的影響特征出發，利用控制擬合曲線走向的方法分別構造兩種指數形式的公式聯合表示巖石的真三軸強度準則。

通過指數準側對實驗數據進行修正，處理結果見表2，指數準則常規實驗方法和單試件實驗數據σ3與σ1-σ3關系圖見圖4。

通過指數準側可以看出，利用常規三軸實驗方法情況下實驗數據和計算數據誤差較小，且較為平均。單試件多級圍壓三軸實驗情況下實驗數據和計算數據誤差較大，但是隨著圍壓增大，誤差越小，越與常規三軸實驗方法數據接近。顯現出這種趨勢的原因是多級連續加載作用于巖石試件上的效果在不斷接近常規直接加載的效果，致使在高圍壓時巖石試件被壓密的程度與層層疊加產生的程度趨于一致，因此在數值上越來越接近。

單試件三軸實驗得到的數據比常規實驗小，在不考慮人為選取屈服點存在誤差情況下，主要原因是在每一級圍壓下，試件不可避免的發生了宏觀或者微觀破壞，除第一級圍壓以外，以后每一級圍壓測得的強度都小于同等圍壓下常規三軸實驗強度。因為低圍壓情況下直線型Mohr-Coulomb準則誤差較小，利用直線型Mohr-Coulomb準則對其進行修正，原理見圖5。

C和D分別為兩級圍壓下強度峰值，和分別是多級圍壓情況下的峰值強度。單試件法試驗中，在施加第二級圍壓后，由于圍壓增大使巖石內部的應力狀態發生改變，又落在了屈服面內，巖石強度隨應變繼續增大，但單試件法第二級圍壓下的應力應變曲線是從常規三軸試驗中單獨作用下應力應變曲線的F點開始的，應力應變曲線到達峰值d點后，巖石試件的強度小于常規三軸試驗中在單獨作用下的，這樣得到的強度比就小了，因而根據Mohr-Coulomb準則單試件法測出來值偏小。

由圖5可知

同理可用此方法修正其他圍壓情況下的強度值。

存在問題：

（1）因為實驗設備和巖樣性質限制，使用單試件進行三軸實驗，圍壓到40MPa時，巖樣往往發生破裂，無法繼續進行實驗，因此無法驗證更高圍壓情況下指數準側計算誤差是否會變更小。

（2）實驗時加載停止的點難以把握。人的肉眼在觀察到發生屈服并作出中止加載的過程是有一定的時間間隔的。即便不要求剛剛發生屈服即中止加載，那么屈服作用的時間多少才是合適的并沒有明確的規定。

（3）Mohr-Coulomb準則只適用于低圍壓情況下，當圍壓超過40MPa時，該修正是否合適無法驗證。

4、結論

（1）通過實驗驗證了用單試件多級破壞的三軸實驗方法測定巖石性質是可行的，可以解決石油工程中取芯難，獲得巖樣數量少，實驗測定數據離散性較大等問題。

（2）在圍壓小于40MPa情況下，利用單試件多級破壞三軸實驗測定的巖石粘聚力和內摩擦角比用常規方法測定的要小。原因是在實驗過程中巖石不可避免的會發生微觀和宏觀變化，且在屈服點的選取上也存在人為誤差。

（3）在低圍壓情況下，可利用Mohr-Coulomb準則對單試件實驗方法得到的應力峰值進行修正，即用當期圍壓下的彈性模量乘以前一級圍壓下峰值點處應變與前一級峰值強度的差來修正當期圍壓下的峰值強度。

參 考 文 獻

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