高温高压作用下致密砂岩三轴压缩试验

邓 辉，张 咪，邓通海，张 茜

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

致密石英砂岩气作为中国目前最现实的天然气战略储备[1-3]，从1971年起，先后在四川、鄂尔多斯、塔里木、吐哈、松辽等10多个盆地相继被大规模开发[4-9]。川西坳陷地区的新场须家河组致密砂岩气藏，包括须(须家河组)二段—须五段共4段[10]，为源、储紧邻，呈“三明治”生-储-盖结构[11]。新场须家河组二段顶埋深大于4 600 m，基质物性差，孔隙度在2%～5%，为致密-超致密层。在前期储量勘查、高产裂缝预测以及后期的开挖施工过程中，都不可避免地会遇到与该区特殊的岩石力学性质相关的问题，因而模拟还原其地下深部高温高压环境、探究其岩石力学性质是十分必要的。本文对须二段致密石英砂岩在设定的围压和温度下，利用MTS815型多功能电液伺服控制刚性试验机进行常规三轴压缩试验，结合高温高压环境下岩石力学性质已有的很多理论上和试验上的研究成果[12-17]综合比较分析，得到了在不同温度和围压下须二段致密石英砂岩各力学参数的变化原因及规律。

1 试验研究

1.1 试样基本物理性质

据岩石薄片鉴定统计(表1)，须二段砂岩碎屑物以石英为主，含量60%～80%，平均70.4%；长石含量8.6%；岩屑含量10%～30%，平均21%。岩屑成分包括凝灰岩、石英岩、花岗岩、板岩、泥岩、灰岩岩屑等，以沉积岩岩屑为主，千枚岩和石英岩等变质岩岩屑次之，火山岩岩屑含量相对较低。胶结以硅质压结式胶结为主。

统计表明[18]，研究区须家河组储层基质物性较差，孔隙度一般小于7%，少数孔隙度大于10%；基质渗透率也很低，多数小于0.1×10-3μm2；但如果储层中有裂缝发育时，渗透率将急剧增加。须二段储层物性总体差，砂体基质物性致密，平均孔隙度仅3%左右，基质渗透率在0.1×10-3μm2左右。总体而言，研究区须家河组储层物性差，属低孔隙率致密-超致密储层。

1.2 试样制备及设备

试验所采用的岩石试样为取自四川德阳绵竹须家河组二段的致密石英砂岩。从制备的试样中选取外观没有损伤、无节理裂隙的岩石以备试验。按国际岩石力学学会的要求，试样规格为直径50 mm、高100 mm的圆柱体，共制试样50个。

试验设备是由成都理工大学“地质灾害防治与环境保护国家重点实验室”引进的专门用于岩石及混凝土实验的MTS815型多功能电液伺服控制刚性试验机，可在高温作用下进行岩石、混凝土等材料的单轴压缩、三轴压缩、三轴卸荷等实验，具有多种控制模式，并可在实验过程中进行多种控制模式间的任意转换，属当前最先进的室内岩石试验设备。

1.3 试验方法

须家河组二段地层的分布深度大约为4 600～5 100 m，地层温度大约为123～136 ℃，地层的压力大约为73～86 MPa。本着还原和模拟岩石原地质环境的原则，设置试验温度为室温15 ℃(A组)、40 ℃(B组)、60 ℃(C组)、90 ℃(D组)、130 ℃(E组)和150 ℃(F组)6个设定温度，试验围压为无围压(1组)、20 MPa(2组)、40 MPa(3组)、60 MPa(4组)、80 MPa(5组)和100 MPa(6组)6种状态。不同温度和围压相互组合，共计36次试验，如40 ℃，40 MPa实验条件下的试样编号则为B3。试验过程分以下3个步骤。

在毕业典礼上，时任北大党委书记闵维方教授专门发来贺信表示祝福。我知道闵书记早年有当“矿工”的经历，我知道他理解我们求学的艰辛，我曾经听过他讲述自己的成长经历，鼓励我们不要怕吃苦，要能在艰苦的环境中成就自己的人生，要勤奋学习、努力拼搏，早日将自己塑造成栋梁之才。

1) 加热

通过三轴室上3个环向电阻丝圆盘对三轴室内的液压油加热，进而液压油将温度传递给岩石试验，当达到所需试验温度时，保持恒温2 h。试验达到1.5 h以后，温度达到平衡，温差引起的热应变在温度达到平衡后趋于稳定。因此，本次试验设计恒温时间为2 h，能够保证在试验加载前试样充分受到温度的作用，并完成温度作用所导致的热应变，以此来模拟地下深部的温度环境。

表1 须家河组二段碎屑物及胶结物含量统计Table 1 Debris and cement contents of T3x2

2) 施加围压

以0.5 MPa/s恒定的围压加载速率施加围压，直至达到预定围压值，停止加压。

3) 轴向加压至破坏

以0.1mm/min的恒定应变速率对试件施加轴向

2 试样变形破坏过程及类型分析

图1为在围压一定时，致密石英砂岩试样经历了15，40，60，90，130和150 ℃共6个设定温度后的三轴压缩全应力-应变曲线。从图1中可以观察到，致密石英砂岩在温度-围压共同作用下的应力-应变曲线(包括围压为0 MPa的单轴压缩试验)是一个渐进性逐步发展的过程，具有明显的阶段性。

图1 围压 (σ3)一定时高温后致密石英砂岩试样三轴压缩全应力(σ1-σ3)-应变(ε)曲线Fig.1 Complete stress-strain curves of tight quartz sandstone samples in conventional triaxial compression test athigh temperatures and fixed confining pressure(σ3)a.围压σ3=0 MPa;b.围压σ3=20 MPa;c.围压σ3=40 MPa;d.围压σ3=60 MPa;e.围压σ3=80 MPa;f.围压σ3=100 MPa

通过对以上6组36个岩石试样的应力-应变曲线及试样破坏方式的归纳总结，可以将在15～150℃，0～100MPa围压下的致密石英砂岩变形破坏划分为5大类(图2)。

1) 类型Ⅰ——岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有2个阶段：孔隙裂隙压密阶段(Oa段)和弹性变形阶段(ab段)。该类型岩石在弹性阶段就达到峰值强度。温度越高，孔隙裂隙压密阶段的曲线斜率变化越小。此类型的岩石试样有A1，B1，C1，D1，E1和F1，即单轴压缩情况下的试样。该类型试样为拉张破坏，发育有多条竖向裂纹，多条贯穿整个试样，破坏面新鲜、无擦痕(图3a)。

2) 类型Ⅱ——岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有3个阶段：孔隙裂隙压密阶段(Oa段)、弹性变形阶段(ab段)和微裂纹演化至加速发展阶段(bc段)。该类型岩石的屈服阶段(bc段)较短。此类型的岩石试样有A2，A3，B2，B3，C2，C3，C4，D2和D3，即在15～90 ℃及20～40 MPa围压条件。该类型试样以剪切破坏为主，剪切破坏面较为平整，可见擦痕及少量灰白色岩粉(图3b)。

3) 类型Ⅲ——岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有2个阶段：弹性变形阶段(Ob段)和微裂纹演化至加速发展阶段(bc段)。该类型岩石的应力-应变曲线没有孔隙裂隙压密阶段，并且屈服阶段(bc段)较短。此类型的岩石试样有E2，E3，F2和F3，即在130～150 ℃及20～40 MPa围压条件。该类型试样以剪切破坏为主，剪切破坏面相对不平整，局部可见剪切擦痕，或发育有其他拉张裂隙，但未贯通(图3e)。

4) 类型Ⅳ——岩石的应力-应变曲线的峰前段同样有3个阶段：孔隙裂隙压密阶段(Oa段)、弹性变形阶段(ab段)和微裂纹演化至加速发展阶段(bc段)。该类型曲线与类型Ⅱ类似，区别在于类型Ⅳ岩石的应力-应变曲线的屈服阶段(bc段)比较长，且较为平缓。该类型的岩石试样有A4，A5，A6，B4，B5和B6，即在15～40 ℃及60～100 MPa围压条件。该类型以剪胀破坏为主，主破坏面不平整，有明显的凹凸块体，擦痕明显，岩粉很多(图3d)。

5) 类型Ⅴ——岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有2个阶段：弹性变形阶段(Ob段)和微裂纹演化至加速发展阶段(bc段)。类型Ⅴ与类型Ⅲ类似，没有孔隙裂隙压密阶段，因为试验温度及围压较高，在温度及围压作用下，岩石内部本身的微裂纹在试验开始前就已被压密，因而试验曲线从弹性变形开始。此类型的岩石试样有C5，C6，D4，D5，D6，E4，E5，E6，F4，F5和F6，即在60～150 ℃及60～100 MPa围压条件，屈服阶段曲线段较长。该类型以剪切破坏为主，也有部分剪胀破坏，高围压作用下，试验剪切破坏后较破碎，主破坏面较为平整、光滑，擦痕、岩屑、岩粉都很明显(图3c)。

图2 温度-应力作用下致密石英砂岩应力(σ)-应变(ε)曲线类型Fig.2 Types of stress-strain curves of tight quartz sandstone samples under combined action oftemperature and confining pressure

图3 典型试样破裂面Fig.3 Typical fracture surface of the samplesa类型Ⅰ，拉张破坏；b类型Ⅱ，剪切破坏；c类型Ⅴ，剪切破坏；d类型Ⅳ，剪胀破坏；e类型Ⅲ，剪切破坏

3 致密石英砂岩力学性质与围压关系

从图4可以观察到，在15～150 ℃范围内，相同试验温度条件下，致密石英砂岩试样的三轴抗压强度呈现出随围压增大而增大的特征。在6个设定温度15，40，60，90，130和150 ℃条件下，围压为0，20，40，60，80和100 MPa时，对应的三轴抗压强度平均值分别为194.04，364.61，469.62，512.26，608.39和720.61 MPa。围压由0 MPa增至100 MPa时，试样的三轴抗压强度平均值相对于0 MPa时，分别增加了87.90%(20 MPa)，142.025%(40 MPa)，164.00%(60 MPa)，213.54%(80 MPa)和271.32%(100 MPa)。由图2可知，在不同试验温度下，致密石英砂岩试样的三轴抗压强度与围压的关系是非线性的，可表示为

(1)

图4 高温作用下致密石英砂岩试样三轴抗压强度(σS)与围压(σ3)关系Fig.4 Relationship between triaxial compression strength(σS)of tight quartz sandstone samples and confiningpressure(σ3)under high temperatures

图5 高温作用下致密石英砂岩试样弹性模量(E)与围压(σ3)关系Fig.5 Relationship between elastic modulus(E)of tightquartz sandstone samples and confining pressure(σ3)under high temperatures

图5显示，致密石英砂岩试样在6个设定温度下，围压0，20，40，60，80和100 MPa对应的弹性模量平均值分别为22.10，24.49，24.34，24.30，25.49和26.05 GPa。随围压增大，试样的弹性模量平均值相对围压为0 MPa(单轴压缩)时分别增长了10.85%，10.19%，9.98%，15.34%和17.89%。除围压为60 MPa时，因试样个体差异，弹性模量的平均值有所下降外，总体上呈现出随围压增大而增大的规律。由于100 MPa还未达到致密石英砂岩的应力损伤围压，故其力学参数未出现明显下降。

4 致密石英砂岩力学性质与温度关系

温度对致密石英砂岩试样的影响主要表现为两个方面：热膨胀和热破裂。岩石内部矿物受热膨胀，使岩石试样内部原本具有的微裂纹被压密，岩石孔隙减小，使岩石强度强化。同时，组成岩石的矿物有多种，不同岩石矿物的热膨胀系数不同，因而矿物晶体颗粒之间产生相互挤压或拉伸，岩石内部各部分之间的变形受到相互牵制，引起岩石内部的热应力，导致岩石内部裂纹扩展、颗粒接触边界出现裂纹或者矿物颗粒的破裂，从而产生新的微裂纹，使岩石力学性质劣化。

致密石英砂岩在高温作用下，由常规三轴压缩试验结果分析处理可以得到致密石英砂岩试样粘聚力、内摩擦角与温度的关系(图6，图7)。进一步分析可获得在围压一定时，6个设定温度下致密石英砂岩试样的三轴抗压强度、弹性模量与温度的关系(图8，图9)。由图4—图7可以观察分析得到：由于试样个体差异，围压一定时，致密石英砂岩试样的粘聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量试验结果存在一定的离散性，但整体规律也比较明显。常规三轴压缩条件下，不同试验温度作用下，随试验温度升高，60 ℃之前，致密石英砂岩试样的粘聚力呈二次非线性减小，内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量呈非线性增加；60 ℃之后，试样的粘聚力呈二次非线性增加，而内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量则呈二次非线性减小。试验说明，60 ℃附近是温度-应力共同作用条件下岩石力学性质变化的温度节点。

图6 致密石英砂岩试样粘聚力(C)与温度(T)关系Fig.6 Relationship between cohesion(C)of tightquartz sandstone samples and temperature(T)

图7 致密石英砂岩试样内摩擦角(φ)与温度(T)关系Fig.7 Relationship between internal friction angle(φ)of tight quartz sandstone samples and temperature(T)

图9 致密石英砂岩试样弹性模量(E)与温度(T)关系Fig.9 Relationship between elastic modulus(E)of tightquartz sandstone samples and temperature(T)

致密石英砂岩试样的内摩擦角、三轴抗压强度平均值和弹性模量平均值分别由15 ℃的38.65°，411.08 MPa和23.01 GPa增加到60 ℃时的47.59°，500.72 MPa和24.83 GPa，增幅分别为23.13%，21.81%和7.90%；而粘聚力则由52.64 MPa下降到41.54 MPa，下降了21.08%。当试验温度升至150 ℃时，相对于室温(15 ℃)试样的内摩擦角、粘聚力、三轴抗压强度平均值和弹性模量平均值分别增加至44.70°，53.56 MPa，505.16 MPa和24.59 GPa，增幅分别为15.68%，1.74%，22.89%和6.85%。

5 结论

1) 围压一定时，致密石英砂岩试样在不同温度作用下，常规三轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。

2) 在15～150 ℃范围内，常规三轴压缩试验在试验温度相同的条件下，致密石英砂岩试样的三轴抗压强度在总体趋势上呈现出随围压增大而增大的特征。除围压为60 MPa时，因试样个体差异，弹性模量的平均值有所下降外，总体上呈现出随围压增大而增大的规律。由于100 MPa还未达到致密石英砂岩的应力损伤围压，故其力学参数未出现明显下降。

3) 围压一定时，试验得到的致密石英砂岩试样的粘聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量具有较大的离散性，但整体仍具有一定的规律性。常规三轴压缩条件下，不同试验温度作用下，随试验温度升高，60 ℃之前，致密石英砂岩试样的粘聚力呈二次非线性减小，内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量呈非线性增加；60 ℃之后，试样的粘聚力呈二次非线性增加，而内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量则呈二次非线性减小。60 ℃附近是温度-应力共同作用条件下岩石力学性质变化的温度节点。

4) 在0～100 MPa围压范围，15～150 ℃温度范围内，致密砂岩试样变形破坏类型取决于温度和围压，围压对岩石强度的影响程度大于温度，可大致分为5种类型。随着围压的增大，岩石从拉张破坏向剪切破坏转变。围压较低时，岩石为拉张破坏，竖向节理裂隙较多，并伴有一定数量的横向裂隙，主破坏面上有许多微小的次生裂纹，岩石试样被裂隙切割分成多个条块状岩块。围压较高时，主破坏面为斜向剪切面，围压越高，剪切面越平整，剪切面上挤压摩擦强烈，擦痕清楚可见，并有很多灰白色的岩石矿物形成的岩粉，有滑腻感，主控裂隙面上的次生裂纹比较少，但主控裂隙面在试样表面的出露迹线的两端有次生分支裂纹。试样内有水平层理时，在低温高围压条件下变形破坏时，会产生较大的塑性变形。

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