围压作用下损伤盐岩自愈合特性试验研究

2020-03-24李俊杰李望成

科学技术创新 2020年3期

梁维李俊杰石润李望成

（重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

盐岩的结构致密、孔隙度低、塑性变形能力大，同时非常低的渗透率、良好的蠕变行为和损伤自愈等物理特点，常常被广泛应用于地下储库（石油、天然气、高放射性废物）的理想储存介质。其中盐岩的自愈合特性对于储气库的使用安全性和稳定性具有重要作用，但是就目前而言，国内外关于损伤盐岩自愈合特性研究并不深入，只取得部分研究成果，尚且处于起步阶段。

本文研究盐岩在特定环境下的损伤自恢复效应，通过改变围压大小开展了损伤盐岩保压恢复试验。分析了在围压恢复作用下对盐岩应变恢复和损伤愈合进程的影响。

1 试验准备及方案

1.1 试样制备及试验设备

试样制作：依托学校与中石油川庆钻探工程有限公司川东钻探公司建立的国家级工程实践教育中心，选择该公司在西部地区油气井钻井过程中遇到的深部盐岩等岩芯，应用I-RPT（Rock parameter test）型岩石波速测试仪对每个岩芯进行声波试，对波速相近的岩芯经实验室加工形成φ50×100mm 圆柱形实体试样，试样见图1。

图1 实验前后试样对比图

试验仪器选择：主要采用重庆科技学院建筑工程学院岩土力学研究所的TFD-2000 微机伺服控制岩石三轴流变试验机，见图2。该实验仪器可以完成不同水压下三轴试验和三轴流变试验等岩石力学试验，其主要技术参数为：

（1）最大试验力2000kN，测量分辨率为10N。

（2）最大围压70 MPa，测量分辨率为0.001MPa。

（3）最大孔隙水压70MPa，最大轴向变形10mm，测量精度。0.5%。

图2 TFD-2000 微机伺服控制岩石三轴流变试验机

1.2 试验方案

为研究损伤盐岩在围压条件下恢复情况，在同一围压条件下，先对试样进行常规三轴试验，得出实验数据，了解盐岩试样的基本力学特性，然后对其进行不同围压的恢复试验A1、A2、A3；不同围压试验：保持试样峰值应力10%的压力，然后分别以10MPA、15MPA、20MPA 围压保持6h，最后进行单轴抗压试验。实验步骤如下：

（1）采用热缩管对试样进行密封，防止测试过程中硅油侵入试样。待安装好试样之后，进行轴向与径向引伸计调试，放下压力缸，采用位移控制方式将放置试样的平台向上抬升至试样与压力杆相接触的位置。

（2）进行充油，等待充油完成。

（3）施加轴向0.1kN 的荷载保证试样与压力杆充分接触，接触之后施加围压开始记录数据。

（4）待围压至目标值后，采用位移控制以0.5mm/min 的速度将试样向上抬，直到试样破坏。

2 试验结果分析

盐岩经过损伤恢复之后，其裂缝界面在围压的约束作用下会得到部分愈合，表现盐岩的强度得到一定的提升，为探索盐岩强度与损伤之间的联系，对该组试样A1、A2、A3 的进行两次应力加载，得到应力应变曲线对比图进行研究，其中第一次加载表示对完好盐岩加载至破坏的阶段，第二次加载表示损伤盐岩通过恢复试验后再次加载至破坏的阶段。

2.1 三轴试验数据分析

图3 B1（10MPa）实验前后应力应变对比图

图4 B2（15MPa）实验前后应力应变对比图

图5 B3（20MPa）实验前后应力应变对比图

图6 B1、B2、B3轴向应力应变关系曲线

该组试验选取了B1、B2、B3 作为试验对象进行研究。在实验中，采用在相同的试验温度（30℃），相同的稳压时间（即6h 稳压时间），对B1、B2、B3 试样进行不同围压（10MPa 15MPa 20MPa）的试验，得到的应力应变曲线对比图。由上图可知，通过试验前后的应力应变曲线对比发现，虽然盐岩在不同围压的作用条件下强度会得到部分的恢复，但其强度会在一定程度上受到损失，不能通过后期的恢复试验条件达到原有的状态。

2.2 恢复试验数据分析

由图6 可知，盐岩在经过损伤恢复试验之后，随着围压的增加，盐岩峰值应力和弹性模量逐渐增大且趋于稳定，其强度在试验条件范围内随着围压的增加而增加；同时围压越大，恢复效果越明显，表现为盐岩加载初期的应力- 应变曲线斜率逐渐增大，其原因在于盐岩在围压作用下的损伤恢复阶段，大致可以分为快速恢复阶段以及缓慢恢复阶段。在快速恢复阶段中，盐岩的恢复速率较快，内部大量的孔隙受到侧向周围压力而迅速闭合，逐渐得到快速的恢复。在缓慢恢复阶段中，当盐岩内部的孔隙被压缩到一定的程度后，晶体之间接触面积的增加导致恢复速率的减缓。