地下深部岩石强度变形特征及强度准则研究——以新场须二段砂岩为例

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地下深部岩体所处地质环境复杂,高温、高压对岩石强度变形的影响与地表岩体有很大差异。本文结合研究区已有的资料及前人的研究成果,通过温度-围压耦合作用下的岩石单轴、三轴实验结果,对温度-围压耦合作用下岩石强度变形特征进行了分析,探讨了岩石强度变形与温度、围压之间的关系,以及温度-围压耦合作用下的岩石强度准则。主要研究内容及结论如下:  (1)通过对须家河组须二段岩石薄片观察统计分析,得出了须二段岩石的矿物组成、含量等岩性特征以及孔隙度、渗透系数等物性特征,得出须二段岩石为致密石英砂岩。通过须家河组岩石试样的声发射实验结果以及前人对该地区的构造演化,发现须家河组地层在地质历史上至少遭受过4次规模较大的构造运动,分别对应构造演化过程的印支中期~印支晚期、燕山早期~燕山中期、燕山晚期~喜山早期和喜山中~晚期,并测试出每个时期构造应力的大小及方位。研究人员对该区须家河组储层中流体包裹体进行了分析,根据分析得到的类型、均一温度、组成成分等特征将新场气田的油气充注划分为三个阶段,并得出每个阶段的估算地温。根据实际测井资料得出了地层压力和地层温度与地层深度的关系式。  (2)根据分析的地层压力和地层温度,对须二段致密石英砂岩进行温度-围压耦合作用下的岩石单轴、三轴试验。在同一温度条件下,岩石的峰值强度随着围压的增大逐渐增大,对应的应变也随之增大。相同围压下,岩石的峰值强度随着温度增加呈小幅度增长。在相同围压下,温度对岩石强度的影响逐渐增大。围压越大,温度对岩石强度的影响也明显。弹性模量随温度及围压变化呈波动变化,但大致呈增大趋势。围压对岩石强度的影响比温度对其影响程度大。  (3)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,擦痕明显,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,但主控裂隙面在岩样表面的出露迹线的两端有次生分支裂纹。岩样内有水平层理时,在低温高围压条件岩样会产生较大的塑性变形。  (4)根据温度-围压耦合作用下得到的岩石单轴、三轴试验,对破坏后试样进行了详细描述及裂纹精细素描。根据每个岩样的应力-应变曲线,分析了岩石变形破坏过程的孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化扩展阶段、应力跌落阶段及破坏后阶段的特征。同时分析了岩石变形破坏过程中的能量演化。根据不同温度、不同围压下的岩石变形破坏差异,将温度-围压耦合作用下的岩石变形破坏类型划分为5大类。类型Ⅰ岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有两个阶段:孔隙裂隙压密阶段和弹性变形阶段。类型Ⅱ岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有三个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段和微裂纹演化扩展阶段,该类型岩石的屈服阶段较短。类型Ⅲ岩石的应力-应变曲线的峰前段主要有两个阶段:弹性变形阶段和微裂纹演化扩展阶段,该类型岩石屈服阶段较短。类型Ⅳ岩石的应力-应变曲线的峰前段曲线与类型Ⅱ类似,但屈服阶段比较长,且较为平缓。类型Ⅴ岩石的应力-应变曲线的峰前段曲线与类型Ⅲ类似,但屈服阶段曲线段较长。  (5)对指数强度准则进行了修正,将温度对岩石强度的影响考虑进去,加入与温度有关的关系式,得到能够反映温度-围压耦合作用的岩石强度准则,其中的参数具备特定的物理含义,可以通过室内试验和经验得到。并对该准则公式得到的计算值与实验值对比,进行了验证,效果比较好。
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