三向围压下碳酸盐岩的动态力学试验

咸玉席 刘志远 张俊江 孙清佩 董研 卢德唐

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三向围压下碳酸盐岩的动态力学试验

    作者简介: 咸玉席(1981-),男,博士,副研究员,主要从事冲击动力学研究. E-mail: yxxian@ustc.edu.cn;
  • 中图分类号: O347; TU375

Experimental Study on Dynamic Mechanics of Carbonate Rock under Triaxial Confining Pressure

  • CLC number: O347; TU375

  • 摘要: 原位地层中的碳酸盐岩在动态冲击下的力学行为是研究大规模开发碳酸盐岩油气藏的基础。利用真三轴霍普金森压杆装置,对碳酸盐岩在三向围压下的动态力学行为进行研究,测得碳酸盐岩试样在受到三向不同围压、单向冲击荷载作用下的动态应变率和动态抗压强度,揭示出在三向围压下碳酸盐岩受到动态冲击后仅出现微裂缝开裂的特征。
  • 图 1  三向围压动态冲击加载SHPB实验装置示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of triaxial confining impact loading SHPB test system

    图 2  碳酸盐岩真三轴动态冲击测试试样

    Figure 2.  Carbonate rock specimen under triaxial confining impact loading

    图 3  碳酸盐岩试样真三轴动态冲击测试原始曲线

    Figure 3.  Original sampling curves of carbonate rock specimen under true triaxial dynamic impact

    图 4  真三轴动态冲击下碳酸盐岩试样的应变率曲线

    Figure 4.  Strain rate curves of carbonate rock specimen under true triaxial dynamic impact

    图 5  碳酸盐岩真三轴动态冲击下试样的 动载荷与动态应变的关系

    Figure 5.  Dynamic stress-strain curves for carbonate rock specimen tested by true triaxial dynamic impact test

    图 6  碳酸盐岩真三轴动态冲击下试样的动载荷与动态应变的关系(yz方向)

    Figure 6.  Dynamic stress-strain response for carbonate rock specimen tested by true triaxial dynamic impact test (In y and z directions)

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-19
  • 录用日期:  2018-11-29
  • 网络出版日期:  2019-03-19
  • 刊出日期:  2019-04-01

三向围压下碳酸盐岩的动态力学试验

    作者简介:咸玉席(1981-),男,博士,副研究员,主要从事冲击动力学研究. E-mail: yxxian@ustc.edu.cn
  • 1. 中国科学技术大学工程科学学院近代力学系,安徽 合肥 230027
  • 2. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆 乌鲁木齐 830011

摘要: 原位地层中的碳酸盐岩在动态冲击下的力学行为是研究大规模开发碳酸盐岩油气藏的基础。利用真三轴霍普金森压杆装置,对碳酸盐岩在三向围压下的动态力学行为进行研究,测得碳酸盐岩试样在受到三向不同围压、单向冲击荷载作用下的动态应变率和动态抗压强度,揭示出在三向围压下碳酸盐岩受到动态冲击后仅出现微裂缝开裂的特征。

English Abstract

  • 碳酸盐岩油气藏一般具有埋藏深的特点,如塔河奥陶系缝洞型碳酸盐岩油气藏的埋深在5700~7000 m之间,地层压力在56~85 MPa之间,溶洞为油气的主要储集体[1-2]。对深部碳酸盐岩地层进行强冲击作用,可使裂缝扩展,溶洞沟通,是实现碳酸盐岩油气藏大规模开发的可能途径之一。因此,碳酸盐岩材料的动态力学行为一直是碳酸盐岩油气藏开发者关注的问题。深部碳酸盐岩地层的地质条件复杂,非均质性强,导致碳酸盐岩的力学特性复杂,难以通过常规实验得出力学性质的变化规律。目前,针对碳酸盐岩的研究主要集中在准静态力学测试[3-6]和基于测井资料的力学特性分析[7-8],而强冲击荷载作用下的动态力学行为研究则主要集中于压缩波在碳酸盐岩中的传播和衰减以及破坏特性方面。例如:Grady等[9]通过实验研究了岩石的加载波及卸载波响应,Tyburczy等[10]研究碳酸盐岩的动态压缩特性及相态变化。原位地层状态下碳酸盐岩的力学行为分析主要集中在三轴围压下岩石的破裂以及相关的多孔介质的渗透率变化[11],但是施加的动态载荷多为准静态载荷。受实验条件的限制,有关碳酸盐岩的动态载荷研究大多针对一维应变下的应力-应变关系及其应变率效应,处于三向围压下的碳酸盐岩动态力学特性实验研究鲜有报道。

    本工作通过自行研制的三向围压动态实验装置,对碳酸盐岩的动态力学特性进行实验研究,以期获得碳酸盐岩在三向围压下的动态应变率效应和裂缝开裂机理。

    • 为模拟深埋碳酸盐岩在三向围压(σ1σ2σ3)下的动态冲击力学性能,要求试样具有典型碳酸盐岩的物理性质,为此选取西部某地碳酸盐岩露头岩石进行加工。碳酸盐岩立方体试样的边长为50 mm,各边长度相差小于2%;试样平行端面间的不平行度偏差小于0.05 mm,相邻面具有良好的垂直度,最大偏差小于0.25°。为最大程度地减少碳酸盐岩试样与6个端面的摩擦效应,将试样表面磨光。

    • 实验在三向围压动态冲击加载实验装置(见图1)上完成,实验装置中3个方向的入射杆和透射杆的长度远大于碳酸盐岩试样尺寸,可以认为满足一维应力波理论的假设及试样内应力及应变均匀的假设,与一维分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置的基础假设理论一致。在xyz 3个方向的6根杆上的中间位置分别贴上应变片,并连接两台示波器;由于碳酸盐岩的脆性高,若两端面的不平行度高或光滑度低,则施加很小的载荷即可能让整个试样开裂。为此,在试样表面涂抹润滑剂凡士林,将其放置于设备中心处,6根杆的中心线与试样的中心线重合,6根杆的端面与试样表面紧密接触。

      图  1  三向围压动态冲击加载SHPB实验装置示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of triaxial confining impact loading SHPB test system

      三向围压加载过程中各方向上的最大载荷应根据碳酸盐岩的岩石特性确定。每个方向的载荷分级可按照等差级数或等比级数进行选择,由此进行3个方向静载的有机组合,确定合理的静载施加方案。由液压伺服控制系统施加较低的静荷载,在xyz方向上的静荷载分别为5.92、5.40和7.08 MPa。以0.05 MPa/s的加载速度从3个方向同步施加压力至预定的静载,通过静态电阻应变仪读取6根杆上应变片的数值,计算静载下试件在3个方向的压缩量。

      利用气炮驱动子弹(气压为0.97 MPa),使子弹以12.15 m/s的速度撞击输入杆,输入杆产生压缩波,压缩波经过输入杆与试样界面,产生透射波和反射波。透射波在试样内x方向传播并经过试样与透射杆界面,再次产生透射波和反射波。试样中的压缩波在x方向传播时,yz方向产生横向压缩波,传播至试样与杆接触界面时同样产生透射波和压缩波。xyz 方向上6根杆的动态信号通过示波器采集。数据采集结束后,对试样进行卸压,回收样品,记录试件的破坏形态。

    • 图2显示了碳酸盐岩试样真三轴动态冲击前后的形貌。可以发现:冲击加载前,试样x+面没有微裂缝,而冲击加载后x+面中心位置出现微裂缝,同时在边缘处出现一条长裂缝,x+面内的胶结物位置处未发生开裂;x面在冲击加载前有明显的微裂缝和胶结物,但冲击载荷作用后x面内仅在边缘处出现一条微裂缝。y+面内在冲击实验前无明显的裂缝,但有明显的胶结物,受到冲击载荷作用后y+面内出现两组4条微裂缝,并且在一个直角位置处开裂;y面内在冲击实验前无微裂缝,但有胶结物,而在冲击载荷作用后出现4条微裂缝,并且面内出现崩裂。实验前z+面存在一条明显的胶结物条纹,但实验后未发现条纹开裂,仅仅在试样的一个边角处发生开裂;实验前z面内没有天然发育的微裂缝,但存在明显的胶结物条纹,冲击载荷作用后z面内出现两条明显的微裂缝。

      图  2  碳酸盐岩真三轴动态冲击测试试样

      Figure 2.  Carbonate rock specimen under triaxial confining impact loading

      从试样破坏结果可以看出,x方向的两个面未发生崩裂破坏,而y方向和z方向都发生断面崩落,这可能与试样尺寸有关。本试样尺寸为50.08 mm×49.91 mm×49.95 mm,在yz方向上垫板与试样接触,压缩波通过垫板后,垫板向压缩波传播方向运动,导致试样与垫板之间产生一定的间隙,试样内的压缩波很快变成拉伸波,从而导致在yz方向上产生剥落现象。

      试件在x方向的动态应变率${\dot \varepsilon _{{\rm{d1}}}}$、应变εd1和应力σd1的计算公式与常规SHPB的计算公式相同,可根据x方向的入射波、透射波和反射波信号通过三波法计算公式得到,即

      ${\dot \varepsilon _{{\rm{d}}1}}(t) = \frac{{{C_0}}}{{{L_{{\rm{s}}1}}}}[{\varepsilon _{\rm{i}}}(t) - {\varepsilon _{\rm{r}}}(t) - {\varepsilon _{\rm{t}}}(t)]$

      ${\varepsilon _{{\rm{d}}1}}(t) = \frac{{{C_0}}}{{{L_{{\rm{s}}1}}}}\int_0^t {[{\varepsilon _{\rm{i}}}(t) - {\varepsilon _{\rm{r}}}(t) - {\varepsilon _{\rm{t}}}(t)]} {\rm{d}}t$

      ${\sigma _{{\rm{d}}1}}(t) = \frac{{{A_0}}}{{2{A_{{\rm{s}}1}}}}{E_0}[{\varepsilon _{\rm{i}}}(t) + {\varepsilon _{\rm{r}}}(t) + {\varepsilon _{\rm{t}}}(t)]$

      式中:C0为杆中的纵波波速,Ls1为试样在冲击方向的长度,E0为杆的弹性模量,A0As1分别为冲击方向方杆和试样的横截面积,$\varepsilon_{\rm i}$$ \varepsilon_{\rm r}$$\varepsilon_{\rm t}$分别为冲击方向方杆的入射波、反射波和透射波信号。

      对于非冲击的yz方向,由图3(b)图3(c)可见,y+y方向、z+z方向的波形总体上具有较好的一致性,仅有略微差异,因而y方向的动态应力$ {\sigma _{\rm d2}}(t)$和应变$ \varepsilon_{\rm d2}(t)$以及z方向的动态应力$ {\sigma _{\rm d3}}(t)$和应变$ \varepsilon_{\rm d3}(t)$可由试样两端面的动态应力和应变的平均值得到,即

      图  3  碳酸盐岩试样真三轴动态冲击测试原始曲线

      Figure 3.  Original sampling curves of carbonate rock specimen under true triaxial dynamic impact

      ${\sigma _{{\rm{d}}2}}(t) = \frac{{{A_0}}}{{2{A_{{\rm{s}}2}}}}{E_0}[{\varepsilon _{y + }}(t) + {\varepsilon _{y - }}(t)]$

      ${\varepsilon _{{\rm{d}}2}}(t) = \frac{{{C_0}}}{{{L_{{\rm{s}}2}}}}\int_0^t {[{\varepsilon _{y + }}(t) + {\varepsilon _{y - }}(t)]} {\rm{d}}t$

      ${\sigma _{{\rm{d}}3}}(t) = \frac{{{A_0}}}{{2{A_{{\rm{s}}3}}}}{E_0}[{\varepsilon _{z + }}(t) + {\varepsilon _{z - }}(t)]$

      ${\varepsilon _{{\rm{d}}3}}(t) = \frac{{{C_0}}}{{{L_{{\rm{s}}3}}}}\int_0^t {[{\varepsilon _{z + }}(t) + {\varepsilon _{z - }}(t)]} {\rm{d}}t$

      式中:${A_{{\rm{s}}2}}$${A_{{\rm{s}}3}}$分别为yz方向试样的面积,${L_{{\rm{s}}2}}$${L_{{\rm{s}}3}}$分别为yz方向试样的长度,${\varepsilon _{y + }}(t)$${\varepsilon _{y - }}(t)$${\varepsilon _{z + }}(t)$${\varepsilon _{z - }}(t)$分别为yz方向4根杆上测得的应变。

      图4可得:试样在xyz方向上的应变率最大值分别为130.85、11.27和11.71 s–1x方向上的应变率比yz方向上的应变率高一个数量级,并且yz方向上的应变率相近,与试样在这两个方向上的尺寸相近相一致。

      图  4  真三轴动态冲击下碳酸盐岩试样的应变率曲线

      Figure 4.  Strain rate curves of carbonate rock specimen under true triaxial dynamic impact

      图5为碳酸盐岩真三轴动态冲击测试得到的动态应力-应变曲线。可以看出:试样在x方向上的最大应变为0.0073,动态应力强度为161.70 MPa;动态应变达到最大值并保持不变,此时动态应力强度增大至174.50 MPa;随后动态应变减小到0.0072,动态应力强度达到最大值184.10 MPa。考虑到施加在试样x方向的围压为5.48 MPa,所以x方向上的最大应力强度为189.58 MPa。然而,由应变率效应引起的动态应力强度应为174.50 MPa,可以认为试样在有围压的情况下冲击加载的应力强度为179.98 MPa。

      图  5  碳酸盐岩真三轴动态冲击下试样的 动载荷与动态应变的关系

      Figure 5.  Dynamic stress-strain curves for carbonate rock specimen tested by true triaxial dynamic impact test

      图6(a)给出了y方向上的动态应力-应变关系。当应变达到2.5×10–4时,动态应力强度达到11.275 MPa;随后应变持续增大,但动态应力强度出现一个平台段;当应变达到6.4×10–4时,动态应力强度开始下降,最终降至零以下。试样在y方向的围压为5.40 MPa,因此y方向的最大应力强度为16.675 MPa。同理,从图6(b)可以看出:在z方向的动态应力-应变曲线上升段,碳酸盐岩呈现出弹塑性变形行为;当应变达到4.33×10–4时,动态应力强度达到11.91 MPa,随后发生动态塑性变形;当应变达到1.2×10–3时,动态屈服强度达到最大值11.11 MPa;随着动态应变的继续增大,动态应力强度逐渐减小,最后恢复到零以下。在z方向施加的围压为7.08 MPa,因此z方向上的最大应力强度为18.19 MPa。通过对比yz方向上的动态应力强度,可以发现两者相近,说明当yz方向施加的围压相近时,试样在yz方向的应变率相近,进而导致动态应力强度相近。

      图  6  碳酸盐岩真三轴动态冲击下试样的动载荷与动态应变的关系(yz方向)

      Figure 6.  Dynamic stress-strain response for carbonate rock specimen tested by true triaxial dynamic impact test (In y and z directions)

    • 利用三向围压动态冲击加载实验装置,对碳酸盐岩试样处于三向围压下的动态力学性能进行实验研究。碳酸盐岩试样在冲击方向上的应变率和最大应力强度与其相互垂直的两个方向的应变率和最大应力强度相比高一个数量级。三向围压下冲击后碳酸盐岩试样在3个方向的端面都出现微裂缝,但是观察试样表面发现,碳酸盐岩中胶结物的分布状态对三向围压下的动态开裂没有影响。

参考文献 (11)

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