曹 峰

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

溫度對(duì)深部巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

曹 峰

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

處于地溫環(huán)境中的深部巖石，其力學(xué)特性與地表巖石有極大差異。溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理包括：礦物顆粒熱膨脹；含水性及比例；巖石孔隙結(jié)構(gòu)；礦物結(jié)構(gòu)及成分。隨溫度增加，巖石變形特征從脆性向塑性變化，峰值強(qiáng)度降低，彈性模量降低，壓密階段應(yīng)變變長(zhǎng)，線彈性階段的應(yīng)變降低，峰后階段的應(yīng)變?cè)黾?，抗壓?qiáng)度降低，彈性模量降低。

溫度；力學(xué)性質(zhì)；應(yīng)力應(yīng)變；抗壓強(qiáng)度；彈性模量

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)向地層更深處發(fā)展，有必要了解深部地層巖石力學(xué)性質(zhì)，以便為工程研究和施工提供依據(jù)。而地層巖石總是處在一定的地溫環(huán)境中，與地表巖石有很大不同。將常溫下巖石的力學(xué)性質(zhì)當(dāng)作地層巖石的力學(xué)性質(zhì)，會(huì)給工程帶來(lái)極大的偏差，因此有必要研究溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此已做了大量研究［1-13］，本文總結(jié)并歸納了國(guó)內(nèi)外溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響機(jī)理

長(zhǎng)期地質(zhì)作用使得成巖礦物種類(lèi)、顆粒排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型和膠結(jié)物特性變得十分復(fù)雜，所以成巖巖石是非均值、各向異性的礦物集合體。溫度加載改變了巖石物理、力學(xué)性質(zhì)。這些作用包括：

（1）礦物顆粒熱膨脹。受溫度作用，由于成巖礦物之間的熱膨脹系數(shù)存在一定差異，加之，礦物顆粒之間的相互約束，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)高的礦物受到壓縮，而熱膨脹系數(shù)低的礦物受到拉伸，其綜合結(jié)果是在巖石內(nèi)部形成熱應(yīng)力。由于熱應(yīng)力的存在，使得作用在巖石礦物顆粒的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。趙洪寶［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)高溫作用下石灰?guī)r將發(fā)生熱膨脹，熱膨脹量與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線可分為4個(gè)階段，熱膨脹量的大小與溫度有關(guān)且為非線性關(guān)聯(lián)。

（2）含水性及比例。受沉積環(huán)境和成巖后生作用影響，通常巖石中存在吸附水、層間水和結(jié)晶水。溫度的改變，導(dǎo)致巖石中含水性質(zhì)和含水比例會(huì)發(fā)生變化。低溫作用時(shí)，溫度增加，使得吸附水和層間水蒸發(fā)，巖石發(fā)生硬化，剛度變大，導(dǎo)致巖石的彈性模量有升高趨勢(shì)［7］；繼續(xù)升溫，達(dá)到一定的溫度，晶格中的結(jié)晶水脫出，微裂紋端部水發(fā)生聚集和水解作用以及其他物理、化學(xué)反應(yīng)，這些因素使得微裂縫迅速擴(kuò)展［8］，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。

（3）巖石孔隙結(jié)構(gòu)。溫度對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)的影響比較復(fù)雜。溫度升高使得非均值的巖石顆粒差異膨脹變形，可能導(dǎo)致新的微裂縫出現(xiàn)，或擴(kuò)大原來(lái)空隙，也有可能導(dǎo)致原裂縫的閉合，這主要取決于巖石性質(zhì)；溫度升高，導(dǎo)致巖石內(nèi)部可能出現(xiàn)熱開(kāi)裂，造成不可逆的熱損傷［11］。

（4）礦物結(jié)構(gòu)及成分。當(dāng)溫度高于閾值溫度后，組成礦物出現(xiàn)相變，改變了礦物的結(jié)構(gòu)，巖石介質(zhì)活化和塑性成分增加，從而促進(jìn)巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化［8］。通常該閾值溫度較高，大于工程領(lǐng)域研究的溫度，所以在研究工程問(wèn)題時(shí)，可以忽略。

2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律

溫度加載作用下，巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷四個(gè)階段：壓密階段、線彈性階段、弱化階段和破壞階段。隨溫度增加，巖石變形特征從脆性向塑性變化，峰值強(qiáng)度降低，彈性模量降低，壓密階段應(yīng)變變長(zhǎng)，線彈性階段的應(yīng)變減小，峰后階段的應(yīng)變?cè)黾樱瑥拇嘈云茐南蚶羝茐倪^(guò)度。

張志鎮(zhèn)［10］研究花崗巖力學(xué)特性的溫度效應(yīng)發(fā)現(xiàn)：常溫下，巖石非彈性變形過(guò)程相對(duì)較短，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，巖樣迅速破裂，呈脆性破壞；溫度升高，彈性段的斜率降低，表明彈性模量隨著溫度的升高而降低；溫度超過(guò)某臨界溫度以后，峰值強(qiáng)度明顯降低，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，主要是因?yàn)閹r樣的脆性減弱而延性增強(qiáng)。從熱-力學(xué)的角度，當(dāng)溫度升高時(shí)，巖石晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力相對(duì)減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移，故塑性增強(qiáng)而強(qiáng)度降低。

孟召平［11］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究砂巖力學(xué)特性隨溫度的變化關(guān)系即全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在峰值前的斜率隨著溫度的增加而明顯變緩，破壞荷載降低，表現(xiàn)為巖石的剛度和強(qiáng)度均隨溫度的增大而降低；同時(shí)，隨著溫度的增加，巖石破壞后其殘余強(qiáng)度值相對(duì)也降低。

朱合華［12］研究熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖在溫度加載作用下變形特征：高溫后三種巖石的峰值應(yīng)力、彈性模量均有不同幅度的降低，且經(jīng)歷的溫度越高，降低的幅度越大。對(duì)于峰值應(yīng)變，熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖的峰值應(yīng)變隨溫度的升高而大幅度的增加；但對(duì)于流紋狀凝灰角礫巖，峰值應(yīng)變隨著溫度的升高在降低。

3 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

巖石抗壓強(qiáng)度受溫度影響顯著，溫度增加，巖石抗壓強(qiáng)度降低，呈線性遞減關(guān)系。也有實(shí)驗(yàn)表明［7］，在低溫范圍，溫度增加，由于吸附水和層間水被蒸發(fā)，巖石強(qiáng)度增強(qiáng)，溫度對(duì)巖石強(qiáng)度性質(zhì)的影響主要取決于溫度的作用范圍和巖石性質(zhì)。

張志鎮(zhèn)［10］分析了不同溫度作用下，花崗巖強(qiáng)度變化規(guī)律?；◢弾r單軸抗壓強(qiáng)度具有較大的離散性，這是由于巖石自身的結(jié)構(gòu)差異所致。高溫作用下，強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)，在800℃時(shí)峰值強(qiáng)度由常溫時(shí)的191.90 MPa降低至62.17 MPa，降幅達(dá)到67.6%。高溫作用下巖樣的力學(xué)性能劣化呈連續(xù)變化。

孟召平［11］研究得出：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度隨溫度的增加，呈線性遞減關(guān)系。其線性遞減比例系數(shù)與巖石的成巖作用有關(guān)。成巖作用強(qiáng)的巖石，其孔隙度小，巖石導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的增加降低較快，反之，較緩。

4 彈性模量變化規(guī)律

巖石彈性模量受溫度影響顯著，溫度增加，巖石彈性模量降低，呈線性遞減關(guān)系。

林睦曾［13］研究了巖石的楊氏模量隨溫度升高而變化的情況，安山巖、花崗巖、石英粗面巖等的楊氏模量在300℃以下隨溫度升高而急劇減小，但超過(guò)300℃后，楊氏模量幾乎保持恒定；而凝灰?guī)r和陶石等隨溫度的升高，彈性模量變化不大。

孟召平［11］研究指出，砂巖彈性模量隨溫度的增加，呈線性遞減關(guān)系。其線性遞減比例系數(shù)與巖石的成巖作用有關(guān)。成巖作用強(qiáng)的巖石，其孔隙度小，巖石導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致巖石彈性模量隨溫度的增加降低較快，反之，較緩。

左建平［7］分析了砂巖受熱導(dǎo)致熱損傷，并將熱損傷分為四個(gè)階段：不穩(wěn)定熱損傷階段、初始熱損傷階段、穩(wěn)定熱損傷階段和快速熱損傷階段。分析認(rèn)為，砂巖不穩(wěn)定熱損傷階段，砂巖黏土物質(zhì)還有水分，而自由水逐漸被加熱。升溫使得自由水溶解能力增強(qiáng)，溶解的礦物間黏結(jié)物和黏土等增多，使砂巖逐漸軟化。因此，升溫使得砂巖的彈性模量有所降低。在初始熱損傷階段，溫度繼續(xù)升高超過(guò)水的沸點(diǎn)，部分自由水被蒸發(fā)，冷卻后的砂巖重新硬化，剛度變大，這種機(jī)制會(huì)導(dǎo)致砂巖的彈性模量有升高趨勢(shì)。但在穩(wěn)定熱損傷階段，砂巖開(kāi)始產(chǎn)生熱開(kāi)裂，熱開(kāi)裂的出現(xiàn)導(dǎo)致砂巖剛度變小。在水分蒸發(fā)和砂巖的熱開(kāi)裂兩種耦合下，砂巖彈性模量有所波動(dòng)，但總體有升高趨勢(shì)。在快速熱損傷階段，隨著溫度的升高砂巖的熱開(kāi)裂增多，并且溫度越大，熱開(kāi)裂數(shù)目越多，且熱開(kāi)裂的長(zhǎng)度和寬度都變大，此時(shí)熱開(kāi)裂占主導(dǎo)地位，從而使得砂巖彈性模量迅速降低。

張志鎮(zhèn)［10］指出花崗巖彈性模量的分布具有一定的離散性，但總體上隨著溫度升高而降低。實(shí)時(shí)高溫作用下花崗巖力學(xué)性質(zhì)衰減得較快，彈性模量由常溫時(shí)的38.37GPa降低至 7.22GPa，降幅達(dá)81.2%。高溫作用下巖樣的力學(xué)性能劣化呈連續(xù)變化。

5 結(jié) 論

（1）溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響顯著，涉及深部地層的工程問(wèn)題，應(yīng)考慮溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。

（2）溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理，主要包括礦物顆粒熱膨脹性、含水性及比例、巖石孔隙結(jié)構(gòu)和礦物結(jié)構(gòu)及成分。

（3）從應(yīng)力應(yīng)變曲線上看，隨溫度增加，巖石變形特征從脆性向塑性變化，峰值強(qiáng)度降低，彈性模量降低，壓密階段應(yīng)變變長(zhǎng)，線彈性階段的應(yīng)變降低，峰后階段的應(yīng)變?cè)黾?，從脆性破壞向拉剪破壞過(guò)度。

（4）溫度增加，巖石的強(qiáng)度和彈性均會(huì)降低。

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Review of Temperature Impact of Mechanical Properties of Deep Rock

CAO Feng
（Southwest Petroleum University,Chengdu 610500）

Deep rocks in the geothermal environment have great differences with surface rocks.This paper summarizes the mechanism of the temperature on the mechanical properties of rock,such as mineral particles in thermal expansion,water content,pore structure,mineral structure and composition.In general,with temperature increasing,rock deformation characteristics change from brittle to plastic,peak strength becomes lower,the strain in compaction phase increases,the strain of the linear elastic stage decreases,the strain of the post-peak phase increases,the compressive strength becomes lower,and the elastic modulus decreases.

temperature；mechanical properties；stress and strain；compressive strength；elastic modulus

TU457

A

1673-1980(2012)05-0083-03

2012-04-17

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2009D50060302）；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（09ZQ026-084）

曹峰（1986-），男，四川內(nèi)江人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)。