砂巖的熱破裂過程研究

摘要：砂巖處于高溫條件下容易呈現(xiàn)出破裂狀態(tài)，而本文通過細(xì)觀，對砂巖的熱破裂過程進(jìn)行深入地研究，分析砂巖在不同溫度的外界環(huán)境下所發(fā)生的性質(zhì)，與砂巖內(nèi)部所表現(xiàn)的細(xì)微變化。有實(shí)驗(yàn)觀察研究而知，在高溫條件下，砂巖本身的物理結(jié)構(gòu)、滲透率、彈性波波速等性質(zhì)會出現(xiàn)變化，且以上的變化會出現(xiàn)在某一溫度范疇內(nèi)

關(guān)鍵詞：砂巖；熱破裂

探究砂巖處于不同外界溫度條件下所發(fā)生的性質(zhì)改變是現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)家專家的新課題，實(shí)質(zhì)上，其的順利開展是需求學(xué)者從石油、地?zé)崮艿饶茉撮_發(fā)層面認(rèn)識掌與握地球內(nèi)部構(gòu)造，在處理深處開采等方面都極其需求專家學(xué)者對砂巖在不同溫度條件下所發(fā)生的性質(zhì)變化進(jìn)行研究。眾所周知，砂巖本身含有許多不同種類的礦物顆粒，其一旦受熱，就會使得內(nèi)部各礦物顆粒出現(xiàn)不同程度的熱漲情況，進(jìn)而導(dǎo)致砂巖內(nèi)部不同部分產(chǎn)生排斥力，當(dāng)砂巖某一部分的變形完全不可以自由地產(chǎn)生時，所謂的熱應(yīng)力就由此產(chǎn)生，而一旦熱應(yīng)力強(qiáng)于砂巖原來所具有的強(qiáng)度，則就會導(dǎo)致砂巖出現(xiàn)破裂情況，從而使得砂巖的物理性質(zhì)發(fā)生改變，例如滲透率等，與此同時還會發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，以上所述過程就是所謂的砂巖熱破裂。

一、砂巖出現(xiàn)熱破裂的主導(dǎo)因素

眾所周知，與普通的固體物質(zhì)相比，砂巖具有其自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，而且砂巖所具有的力學(xué)性質(zhì)和它本身的結(jié)構(gòu)、物理特性有緊密的聯(lián)系，所以砂巖一旦受到較強(qiáng)的外界刺激，例如高溫等，其本身的物理性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)就會隨之改變，除此以外，溫度上升的方式以及增溫速度都會大大影響作用著砂巖的熱破裂過程。

（一）砂巖的物理性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)因素

1、內(nèi)部礦物顆粒。砂巖是一種通過各種礦物顆粒形成的多晶體，而每一種晶體都會具有其自身所特有的熱膨脹系數(shù)與向異性，同時每種多晶體都會有自身特殊的結(jié)晶方向以及空間排列，由此就會使得不同晶體間的物理性能就有所不同。除此以外，不同晶體對高溫的適應(yīng)性不同，其所導(dǎo)致的物理性質(zhì)變化就會在某程度上有所差異，從而直接影響到砂巖結(jié)構(gòu)變化，而且砂巖內(nèi)部各礦物顆粒的相互接觸程度也會作用著砂巖的整個熱破裂情況。也正因?yàn)楦鱾€礦物顆粒都產(chǎn)生的分子間作用力，且各自的作用程度不一，從而就使得晶體內(nèi)部所產(chǎn)生的熱破裂能量就有所差別，所以由此可見砂巖內(nèi)部所含有的礦物顆粒會隨溫度變化而作用著砂巖的熱破裂程度。

2、膠結(jié)因素。所謂砂巖的膠結(jié)物，即是指除了組成砂巖結(jié)構(gòu)的礦物顆粒之外的物質(zhì)，例如泥質(zhì)、鐵質(zhì)等，而砂巖內(nèi)部具有的獨(dú)特強(qiáng)度就與這些膠結(jié)物的組成成分以及膠結(jié)類別有關(guān)。一般情況下，膠結(jié)物是存在于砂巖各種礦物顆粒的中間、貼附在礦物顆粒的表面，且其會導(dǎo)致原來簡單的孔隙構(gòu)造變得復(fù)雜化，在一定程度上大大弱化了砂巖的滲透率。除此以外，膠結(jié)物的導(dǎo)熱性質(zhì)強(qiáng)弱也直接影響作用著砂巖本身的導(dǎo)熱系數(shù)大小，一般地膠結(jié)物的導(dǎo)熱性強(qiáng)，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)就會增大，膠結(jié)物的導(dǎo)熱性弱，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)就會降低。

3、礦物顆粒粒徑因素。正常情況下，礦物顆粒粒徑越小，他們之間所能夠接觸到的面積就會越大，所形成的抗張強(qiáng)度就會越大，相反礦物顆粒粒徑越大，他們之間所能夠接觸到的面積就會越小，所形成的抗張強(qiáng)度就會越小，也由此可見由粒徑較小的礦物顆粒所形成的砂巖在熱破裂過程所需的熱應(yīng)力就會更大，其所需的外界溫度就會越高。

4、砂巖內(nèi)部的孔隙因素。正常情況下，砂巖內(nèi)部會形成許多不同類型的孔隙結(jié)構(gòu)，而以上可能相通或者單一的孔隙結(jié)構(gòu)會直接作用著砂巖整個的強(qiáng)度、熱破類過程。砂巖所形成的較大熱應(yīng)力就會使得孔隙結(jié)構(gòu)具有阻礙砂巖變形以及裂紋產(chǎn)生的力量，其能大大減少砂巖微裂紋的出現(xiàn)。

（二）溫度提高的方式與速度

在砂巖熱破裂過程中，溫度提高的方式主要有兩種：均勻升溫與劇烈升溫。砂巖的導(dǎo)熱性偏弱，如果經(jīng)歷劇烈的升溫，因?yàn)樯皫r的導(dǎo)熱性能問題會存在滯后的可能性，砂巖內(nèi)外部就會形成一定程度上的溫度差異，所以就會使得砂巖熱應(yīng)力出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，與此同時溫度上升的速度會在一定程度上作用砂巖的熱破裂程度。砂巖在熱傳導(dǎo)過程會形成時間效應(yīng)才從而使得內(nèi)部形成強(qiáng)大的熱效應(yīng)力，因此溫度上升得越快，砂巖的熱膨脹系數(shù)就會不斷增大，微裂紋形成的速度以及數(shù)量就會不斷上升。

二、砂巖熱破裂過程的研究結(jié)果

在高溫條件的影響下，砂巖的彈性波波速會伴隨著溫度的持續(xù)上升而出現(xiàn)逐漸降低狀態(tài)，而其自身的滲透率以及孔隙度則會伴隨著溫度的持續(xù)上升而出現(xiàn)逐漸增大的形勢，最重要的一點(diǎn)是彈性波波速、滲透率、孔隙度會在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)突變的情況。研究結(jié)果顯示，彈性波波速的高低和砂巖本身的節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)、有無填充、裂隙大小等有直接聯(lián)系，因此可見完整無缺的砂巖的彈性波波速會比存在裂隙的砂巖的波速要高，如果高溫條件使得砂巖物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂紋，節(jié)理裂隙就會阻礙彈性波波速的傳輸，從而大大減弱了彈性波波速，而如果溫度逐漸降低直至恢復(fù)成室溫，原本所產(chǎn)生的彈性波波速也不會因此而有所恢復(fù)，這是不可逆的變化過程。

砂巖內(nèi)部所含有的礦物質(zhì)眾多，水則是其中的一種，經(jīng)過高溫的處理下砂巖內(nèi)部的吸附水、層間水與晶格水就會逐漸脫出，而與砂巖內(nèi)部存在的孔隙間距相比，水在砂巖內(nèi)部所占有的體積完全是不能夠忽視的，一旦水從砂巖內(nèi)部脫掉，就會大大增大了砂巖的孔隙體積，從而在一定程度上影響作用著砂巖的滲透率。加熱的速度不斷提高，溫度不斷上升，使得砂巖的介質(zhì)出現(xiàn)活化現(xiàn)象，塑性成分不斷增多，最終使砂巖的物理性質(zhì)由脆性改變?yōu)檠有裕瓷皫r的物理結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)產(chǎn)生了質(zhì)的變化。當(dāng)溫度上升至某一程度時，砂巖內(nèi)部的組成物質(zhì)則將會相互發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，期間可能還會伴隨相變、氫基擴(kuò)散等現(xiàn)象。

隨著溫度的不斷提升，砂巖膨脹的情況就會越激烈，因?yàn)椴煌皫r會存在不同的熱膨脹系數(shù)而同一砂巖內(nèi)部各部分又存在向異性，進(jìn)而使得砂巖自身不能夠自由地變化，從而形成了熱應(yīng)力。一般情況下，溫度變化1攝氏度就會使得砂巖內(nèi)部熱應(yīng)力變化0.4～0.5的范疇，而一旦熱應(yīng)力的變化范疇大于砂巖本身所能夠承受的界限，就會使得砂巖原本所達(dá)到的平衡點(diǎn)受到破壞，從而影響了砂巖本身的物理結(jié)構(gòu)，且使得砂巖內(nèi)部以及表面出現(xiàn)微裂紋。

三、結(jié)束語

現(xiàn)階段，對砂巖的研究課題大多停留在對砂巖表面性的研究上，較少深入地研究探索砂巖內(nèi)部的熱破裂過程，而當(dāng)前的數(shù)據(jù)測試、分析技術(shù)、微地震監(jiān)測技術(shù)不斷提高，所以我們可以通過地震監(jiān)測技術(shù)來探究砂巖在發(fā)生熱破裂時所產(chǎn)生信號，進(jìn)而深入地了解分析砂巖的根本性質(zhì)。除此以外核能一項(xiàng)極其重要的發(fā)展能源，可是核廢料的安全儲存問題則一直困擾著國民，一旦砂巖發(fā)生熱破裂過程就會使得核廢料滲漏，不僅影響核廢料的儲存穩(wěn)定，而且還會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此能夠利用砂巖的滲透率或者溫度參數(shù)等因素來當(dāng)成核廢料安全儲存警報指標(biāo)，通過對數(shù)值進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)測，全面建設(shè)安全的核廢料儲存安全系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張寧，趙陽升，萬志軍，董付科，馮子軍. 三維應(yīng)力下熱破裂對花崗巖滲流規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2010（01）

[2] 趙陽升，萬志軍，張淵，曲方，謝廣玉，魏新杰，馬偉. 20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2008（01）

[3] 趙陽升，孟巧榮，康天合，張寧，郤保平. 顯微CT試驗(yàn)技術(shù)與花崗巖熱破裂特征的細(xì)觀研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2008（01）

[4] 張淵，趙陽升，萬志軍，曲方，董付科，馮子軍. 不同溫度條件下孔隙壓力對長石細(xì)砂巖滲透率影響試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2008（01）

5] 左建平，謝和平，周宏偉，彭蘇萍. 不同溫度作用下砂巖熱開裂的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地球物理學(xué)報. 2007（04）