鹽穴儲氣庫三種典型巖石拉伸聲發射特征研究

林浩， 劉建鋒*， 徐鄧， 朱安奇， 任奕， 梁超

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 成都 610065； 2.四川大學水利水電學院， 成都 610065)

鹽巖擁有優良的致密性，低滲性和水溶性，同時由于其蠕變特性良好以及力學性能穩定[1-2]，常用作建造地下儲氣庫以保持運營期的長期穩定[3-5]。中國地下鹽巖礦井多為層狀分布，巖層的強度和特性由構成夾層的巖石決定，其中鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖是鹽穴中的典型巖石，研究這3種巖石的物理力學特性對中國儲氣庫的建造與運營具有重要意義。

巖石的抗拉強度對其性質有顯著影響，中外眾多學者進行了相關方面的研究[6-9]。直接拉伸試驗由于難以確定拉伸方向與巖石試樣軸線的重合程度，因此使用該方法測試巖石抗拉強度的研究較少，有學者使用點荷載試驗及沖擊試驗預測了巖石的抗拉強度[10-11]，總結了相關公式并評判了其可靠性，但由于試驗結果差異性較大，并不被廣泛使用。國際上多采用間接方法測試巖石的抗拉強度，中國把巴西劈裂試驗作為相關行業的標準試驗方法。通過巴西試驗，學者們得到了各類脆性巖石[12-13]，各向異性巖石[14-15]以及不同工況下巖石的抗拉強度[16]，同時，為了更好地分析巖石的內部破壞規律，超聲檢測技術被廣泛應用，有學者用其來監測預報巖體穩定性[17-19]以及定量評價巖樣的損傷演化過程[20-21]。在拉伸試驗中，聲發射揭示了不同應力狀態所導 致的損傷演化規律[22]和鹽巖拉伸破壞時的力學強度特性[23-24]和破壞前兆[25]。然而，少有學者探究鹽穴儲氣庫中3種典型巖石尤其是泥巖和鈣芒硝巖的拉伸破壞時的聲發射特征規律，導致對三種巖石破壞特征方面的認識有所不足，在儲氣庫安全建設與運營方面有待加強。

采用間接拉伸的方式，針對鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖進行巴西劈裂試驗，并結合聲發射的空間分布特征以及能量和振鈴計數特征具體分析破壞過程，對相關工程具有重要的參考價值。

1 試樣設備及試驗方案

試驗所采用的設備為四川大學水電學院MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統[圖1(a)]，該試驗機軸向荷載最大可達4 600 kN，單軸引伸計 軸向量程±4 mm，環向量程-2.5～12.5 mm；三軸環向引伸計量程8～-2.5 mm；直接拉伸荷載最大2 300 kN；軸向荷載的振動頻率可達5 Hz以上，各測試傳感器精度均為當前同比標定量程的0.5%。聲發射試驗所采用的設備為PCI-II聲發射定位系統。巖石內部的晶體位錯和顆粒內部微裂紋的產生、發展、閉合均有聲發射信號產生，借助傳感器可以得到這些聲發射信號的振幅，頻率、能量等參數，由此可以間接反應巖石內部裂紋的發展情況。

試驗中軸向加載采用40 kN量程的加載方式，聲發射傳感器對稱分布在試樣前后兩側，每側4個[圖1(b)]，傳感器頻率為100 kHz。巴西劈裂試驗采用間接拉伸的方式，試樣按規范要求制成直徑為90 mm，高度為45 mm的圓柱形(圖2)。試驗過程中采用軸向位移控制加載速率為0.1 mm/min，直至試樣破壞。

圖1 試驗設備及放置方式

圖2 巖石試樣

2 試驗結果及其分析

2.1 應力應變特征

考察3種巖石整體變形量與峰值應力， 鹽巖的峰值應力較低，總應變較大，泥巖與鈣芒硝巖應變低于鹽巖，峰值應力則較高，在破壞過程中呈現出脆性的特點(圖3)，而此兩者之中泥巖的峰值應力與應變量大于鈣芒硝巖，塑形更強。由圖4可知，3種巖石的總應變呈下降趨勢，鹽巖最大位移量為0.69 mm，應變為0.007 6，可達鈣芒硝巖的兩倍以上，同時也是泥巖總應變的1.5倍，并且鹽巖的初始壓密階段與彈性階段不如另外兩種巖石明顯，屈服變形持續時間也最長，由此可知，鹽巖塑形高于泥巖與鈣芒硝巖。從峰值應力來看，鹽巖僅為1.27 MPa，不足泥巖的1/2，并且略低于鈣芒硝巖，巖樣整體強度較弱，這與巖石的組成成分有關。

圖3 巖石應力應變曲線

圖4 巖石總應變-峰值應力圖

2.2 空間分布特征

3種巖石聲發射事件點鹽巖最多，鈣芒硝巖次之，泥巖最少，鹽巖聲發射活動最為顯著。比較具體聲發射事件點總數，鹽巖共有10 148次，泥巖有119次，鈣芒硝巖有1 166次，鹽巖的聲發射事件數遠高于泥巖與鈣芒硝巖，這是由于鹽巖由NaCl(主要成分)、KCl、硫酸鹽礦物、鎂鹽礦物等組成，晶體結構明顯，巖石內部晶體的滑移，錯動，摩擦等活動都會被聲發射儀器采集，而泥巖成分較為復雜，主要由黏土礦物(高嶺石、蒙脫石等)和碎屑礦物(石英、長石、云母等)、后生礦物(綠簾石、綠泥石)等組成，固結程度較弱，重結晶不明顯，因此聲發射活動較弱。鈣芒硝巖由鈣芒硝和白云石、石膏、芒硝等碎屑組成，晶體結構不如鹽巖明顯，聲發射事件點偏少。

在鹽巖破壞的整個過程中[圖5(a)]，10%峰值應力以前的聲發射活動相比之后并不劇烈，事件點增加不明顯，在達到20%峰值應力之后，聲發射事件點開始大幅增加，首先是在試件的兩端迅速增多，并沿著試樣中線向中心擴張，到了80%峰值應力時可以清晰地看出事件點構成了一條軌跡，這正是貫通裂縫出現的部位；泥巖在試件中間部位首先出現聲發射事件點[圖5(b)]，隨著荷載增加，達到峰值應力時能看出貫通裂縫的痕跡，但由于聲發射事件點較少，無法呈現出和宏觀裂縫重合的聲發射圖像；鈣芒硝巖在50%峰值應力左右出現明顯的聲發射事件點[圖5(c)]，之后在90%峰值應力之前以較慢的速率增長，到達90%峰值應力后出現事件點大幅增加的現象。從時空分布(圖5)可以看出，鹽巖首先在試樣兩端產生破壞，由彈性力學原理巖石應在試件中心首先發生破壞，然而因試樣兩端加裝了墊條，發生了應力集中現象，鹽巖首先在兩端出現破壞，鈣芒硝巖則強度更高，兩端的應力集中不足以讓其出現可監測到的裂紋，在荷載增加到50%時，試樣中部聲發射事件點顯著增加，這時才出現了明顯的裂紋并沿加載方向向兩端擴展直至破壞，三種巖石的不同強度導致了破壞過程出現了明顯的差異。

圖5 巖石聲發射時空分布

2.3 能量特征

聲發射能率表征了巖石損傷的程度，在試驗全過程中，鹽巖的能率與累計能量最高，鈣芒硝巖次之，泥巖最低，根據聲發射事件點總數，計算得出每個事件點的平均能值，鹽巖為2.02×10-14J、泥巖為3.5×10-16J、鈣芒硝巖為3.9×10-16J，其中鹽巖的平均能值最高且遠超其余兩者，這種現象與事件數的規律一致，出現的原因可能與巖石內部微粒的破壞方式有關，鹽巖為晶體結構，并且在間接拉伸中破壞以穿晶斷裂為主[23]，增加了斷裂表面面積，因此導致能率上升，而鈣芒硝巖或以沿晶斷裂為主，能率遠小于穿晶斷裂，泥巖則由于本身的泥狀結構導致聲發射活動不活躍，破壞所釋放的能量也較少。

將圖6中巖石的破壞過程按應力應變特性分為3個階段：初始壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、屈服變形階段(Ⅲ)。其中初始壓密階段約為峰值應力的5%以下，此階段3種巖石的聲發射活動微弱，這是由于在試驗開始階段施加的荷載主要作用在鋼條上，時間內部損傷較小，聲發射活動不顯著，所以在曲線上出現了一段聲發射活動的空白期，除此之外，在加載初期試件被集中力壓密，巖石內部一部分裂紋在力的作用下處于閉合狀態，因此聲發射活動能量較小。隨著荷載增大，巖石內部裂紋開始擴展，聲發射活動隨之變得活躍。在彈性階段3種巖石有所不同，鹽巖強度較低，彈性變形持續時間較短，在峰值應力的50%左右開始出現屈服變形，而泥巖與鈣芒硝巖則在70%～80%峰值應力時進入屈服變形階段。在進入屈服變形階段后，3種巖石的聲發射能量都迅速增加，在接近峰值應力時，增加速率達到最大值。然而3種巖石的累計能量上升趨勢有所不同，鹽巖的累計能量值呈平滑曲線形式上升，泥巖則表現出明顯的階梯狀。出現這種差異的原因和兩種巖石的內部微粒有關，鹽巖顆粒強度較低，在荷載增加的過程中內部不斷出現裂紋，曲線平緩增長，而泥巖中泥質顆粒強度較鹽巖更高，施加荷載時出現的裂紋微小，聲發射活動不顯著，隨著應力增加，裂紋從試件中心開始出現，并向兩端擴展，最后匯成一個裂紋帶，呈現在曲線上就是一級階梯，之后的每一級階梯都可看作巖石內部微裂紋的一次匯集，這種現象一直持續到試件破壞。而鈣芒硝巖的能量曲線總體呈現出陡增的形式，在接近峰值應力前都無明顯的變化，在臨近峰值時才有聲發射活動活躍程度大幅增加的現象發生。

2.4 振鈴計數特征

3種巖石的振鈴計數規律表現出了與時空分布(圖5)和能量曲線(圖6)相同的特征，鹽巖的最大振鈴計數率和累計振鈴計數都遠大于泥巖和鈣芒硝巖，而后兩者中鈣芒硝巖較泥巖更大。并且可以發現累計振鈴計數和累計能量曲線的趨勢幾乎一樣，進一步證明了前述的結論，鹽巖的晶體結構使其聲發射活動極為活躍，泥巖的泥狀結構則使聲發射現象不明顯?？疾烊N巖石每個聲發射事件點的平均振鈴計數，得出鹽巖為1 200.6次，是泥巖(76.2次)的15.8倍，鈣芒硝巖(68.8次)的17.5倍，與平均能值相似，鹽巖遠大于其余兩者，主要是因為鹽巖整體強度較低，內部晶粒的滑移、錯動、摩擦現象發生的更為頻繁。同時也與鹽巖屈服變形階段在整體破壞過程中占比最大，時間最長有關，該階段巖石不可逆變形增加，內部裂紋增長迅速，聲發射信號顯著增加，而泥巖和鈣芒硝巖由于強度更高，塑形更差，這種現象便體現在較少的聲發射信號上。

圖6 鹽巖聲發射能量率/累計能量-時間-應力圖

對于振鈴計數率曲線(圖7)，3種鹽巖在初始壓密階段聲發射活動微弱，曲線波動不明顯。彈性變形階段則有所不同，鹽巖與鈣芒硝巖在這個階段增長速率較慢，泥巖則有迅速上漲的現象發生。在屈服變形階段，3種巖石在此階段所持續時間在試驗中均占比最大，并且振鈴計數增長速率最快，但呈現出了不同的增長方式，鹽巖呈平滑上升，泥巖與鈣芒硝巖經過了一段時間穩定增長后在臨近峰值應力時出現陡增。從該階段的差異可以看出，由于鹽巖強度最低，在較低荷載時便已產生了大量裂紋，而泥巖與鈣芒硝巖強度更高巖石內部破壞速度較慢，聲發射活動并不顯著，當荷載增加至臨近峰值階段時，兩種巖石內部前兩個階段所積累的裂紋擴展到了一定程度，各處裂紋開始匯聚，巖石破壞程度迅速加大，聲發射活動因此急劇增多。從振鈴計數特征可以看出，巖石的組成與結構會影響聲發射現象，導致聲發射特征參數產生不同的變化規律。

圖7 鹽巖聲發射振鈴計數率/累計振鈴計數-時間-應力圖

3 結論

本次試驗針對鹽穴儲氣庫3種典型巖石的巴西劈裂聲發射特征結合力學特性和巖石組成結構做了詳細分析，得出如下主要結論。

(1)3種巖石中鹽巖形變量最大為0.69 mm，應變可達0.007 6，約為泥巖的1.5倍，鈣芒硝巖的2倍，而峰值應力僅為1.27 MPa，為三者最低，不足泥巖的1/2，并略低于鈣芒硝巖。

(2)聲發射活動的活躍性與巖石組成結構有關，鹽巖和鈣芒硝巖的晶體結構比泥巖的泥狀結構更容易產生聲發射事件點，鹽巖的事件點總數接近泥巖的100倍，鈣芒硝巖則接近泥巖的10倍。同時巖石的強度也導致了聲發射分布點的出現規律不同，鹽巖強度較低，從兩端墊條加載處開始，泥巖與鈣芒硝巖則先在試件中心出現。

(3)聲發射能量和振鈴計數在巖石屈服變形階段大幅增加，總體累計曲線鹽巖呈平滑曲線形式上升，泥巖呈階梯狀上升，鈣芒硝巖在接近峰值應力時陡增。由于鹽巖內部顆粒破壞形式多為穿晶斷裂，并且顆粒的摩擦，錯動，滑移都會被聲發射儀器記錄，所以鹽巖的能量與振鈴計數均遠大于泥巖與鈣芒硝巖。

(4)聲發射試驗是檢測巖石內部損傷狀態的重要方法之一，能夠反應巖石內部裂紋的產生、發展以及演化規律，通過對鹽穴儲氣庫三種典型巖石的聲發射特征參數研究，進一步了解了其損傷演化規律，對儲氣庫的建設和安全運營具有重要意義。