单试件多级破坏三轴实验方法研究

2021-03-26张玲

科学与生活 2021年33期

张玲

摘要：以砂岩为代表，进行岩石常规三轴实验和单试件多级破坏三轴实验。利用直线型Mohr-Coulomb准则和指数准则对比两种实验情况下得到的数据的准确性，找出两种情况下获得数据的相互关系，从而测定单试件多级破坏三轴实验适用条件极其存在的局限性。研究表明该方法测得的内聚力和内摩擦角小于常规实验得到的数据，利用修正公式可进行修正。

关键词：岩石力学;三轴实验;单试件;多级围压

1、引言

钻井过程实际是钻头不断地对其钻遇的岩石进行破坏最终形成井眼的过程。井眼形成之前，地层深处的岩石在原地应力作用下处于包括上覆岩层压力和两个水平主应力在内的三向应力状态;井眼形成过程中，岩石被钻头不断地破坏，粉碎成岩屑，并由钻井循环介质从井底携带而出。随着我国油气勘探逐渐向深部地层的深入，压实效应对地层岩石机械破碎性质的影响越来越犬，因而开展岩石在三轴应力条件下的力学特性测试并探索其在三轴应力条件下的压实规律，是石油钻并工程中岩石力学与工程领域的重要研究内容。由于现场工程特点工程中很难取到岩石试件，试验中往往会出现数据不足以及较为离散等情况，给试验和数据处理带来麻烦。采用单块或少量的试件进行多级围压下三轴实验可以有效解决这个问题。

2、实验方法

实验采用高温高压岩石硬度与声波测定装置，可以进行常温常压条件下的单轴压缩实验，高温高压条件下的三轴压缩实验、硬度与声波实验。

实验步骤：

（1）对现场岩芯进行取芯、打磨加工;

（2）将岩芯处理好，置于三轴实验机内，校对好各个阀门开关状态，准备开始实验;

（3）开始实验时，先对岩石试件加围压至指定值，随后对其轴向加压至恒定值，通过软件实时监控应力一位移曲线的走势，当发现曲线上升的速率减缓并开始有趋近于零的趋势时，停止轴向载荷加载，中止实验;

（4）上一步骤未破坏只是发生塑性变形的岩石试件不取出，再次开始实验，改变围压至另一数值，轴向载荷开始继续加载至另一恒定值，继续通过软件检测应力——位移曲线走势，在上述中止实验点中止实验，同样要保证岩石试件只是发生塑性变形而未破坏;

（5）重复上述步骤直至盡可能达到实验需要的围压，停止实验。

实验结束后，将实验设备恢复到初始状态，清理实验环境，对实验数据进行分析和处理。

选取砂岩作为实验对象，用常规方法和单试件多围压的方法进行岩石不同围压下的三轴实验，可得到应力——位移曲线图1和图2

3、实验数据处理与分析

三轴压缩试验的目的是为了确定不同围压条件下岩石的强度参数：三轴抗压强度;粘聚力;内摩擦角φ。

岩石的强度准则形式在岩土工程界一直都是最热门的研究，截止目前，有上百个模型和准则被各个学者提出，并对已有的强度准则不断地进行修正、改进，关于强度准则的应用研究论文则数以万计。但是现行的强度准则均有一定的适用范围和应用条件，能够普遍适用的强度准则至今未能被提出来。随着石油工程领域的不断发展进步，岩石的强度理论也已成为中不可缺少的基础理论之一，并广泛应用于井壁稳定性评价、套管强度校核、地层出沙预测、水力压裂等工程问题。石油工程中普遍采用的强度准则有很多，如直线型Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Griffith准则而这些准则无一不存在缺陷和不足，需要仔细探究其适用性，才能够保证强度准则应用的客观性、科学性。在工程计算中指数准则和直线型Mohr-Coulomb准则较为适合三轴实验中数据的处理。

根据三轴压缩试验得到的数据，通过直线型Mohr-Coulomb准则来计算岩石的粘聚力和内摩擦角φ，其计算公式为：

针对砂岩岩样通过多次实验可得实验结果见表1，两种实验下强度和围压的关系图见图3。通过数据对比可以得到，用单试件三轴实验方法得到的数据比常规三轴实验方法得到的数据小，单试件实验峰值强度是常规峰值强度的90%左右，粘聚力是常规峰值强度的80%左右。

因为岩石内部构造离散性和不稳定性，并不能以单纯线性关系进行评价，因此采用指数准侧对数据进行修正，以此来研究确定上述规律是否正确。

指数型准则从中间主应力和围压对强度的影响特征出发，利用控制拟合曲线走向的方法分别构造两种指数形式的公式联合表示岩石的真三轴强度准则。

通过指数准侧对实验数据进行修正，处理结果见表2，指数准则常规实验方法和单试件实验数据σ3与σ1-σ3关系图见图4。

通过指数准侧可以看出，利用常规三轴实验方法情况下实验数据和计算数据误差较小，且较为平均。单试件多级围压三轴实验情况下实验数据和计算数据误差较大，但是随着围压增大，误差越小，越与常规三轴实验方法数据接近。显现出这种趋势的原因是多级连续加载作用于岩石试件上的效果在不断接近常规直接加载的效果，致使在高围压时岩石试件被压密的程度与层层叠加产生的程度趋于一致，因此在数值上越来越接近。

单试件三轴实验得到的数据比常规实验小，在不考虑人为选取屈服点存在误差情况下，主要原因是在每一级围压下，试件不可避免的发生了宏观或者微观破坏，除第一级围压以外，以后每一级围压测得的强度都小于同等围压下常规三轴实验强度。因为低围压情况下直线型Mohr-Coulomb准则误差较小，利用直线型Mohr-Coulomb准则对其进行修正，原理见图5。

C和D分别为两级围压下强度峰值，和分别是多级围压情况下的峰值强度。单试件法试验中，在施加第二级围压后，由于围压增大使岩石内部的应力状态发生改变，又落在了屈服面内，岩石强度随应变继续增大，但单试件法第二级围压下的应力应变曲线是从常规三轴试验中单独作用下应力应变曲线的F点开始的，应力应变曲线到达峰值d点后，岩石试件的强度小于常规三轴试验中在单独作用下的，这样得到的强度比就小了，因而根据Mohr-Coulomb准则单试件法测出来值偏小。