圍壓作用下損傷鹽巖自愈合特性試驗研究

梁 維 李俊杰 石 潤 李望成

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331）

鹽巖的結構致密、孔隙度低、塑性變形能力大，同時非常低的滲透率、良好的蠕變行為和損傷自愈等物理特點，常常被廣泛應用于地下儲庫（石油、天然氣、高放射性廢物）的理想儲存介質。其中鹽巖的自愈合特性對于儲氣庫的使用安全性和穩定性具有重要作用，但是就目前而言，國內外關于損傷鹽巖自愈合特性研究并不深入，只取得部分研究成果，尚且處于起步階段。

本文研究鹽巖在特定環境下的損傷自恢復效應，通過改變圍壓大小開展了損傷鹽巖保壓恢復試驗。分析了在圍壓恢復作用下對鹽巖應變恢復和損傷愈合進程的影響。

1 試驗準備及方案

1.1 試樣制備及試驗設備

試樣制作：依托學校與中石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司建立的國家級工程實踐教育中心，選擇該公司在西部地區油氣井鉆井過程中遇到的深部鹽巖等巖芯，應用I-RPT（Rock parameter test）型巖石波速測試儀對每個巖芯進行聲波試，對波速相近的巖芯經實驗室加工形成φ50×100mm 圓柱形實體試樣，試樣見圖1。

圖1 實驗前后試樣對比圖

試驗儀器選擇：主要采用重慶科技學院建筑工程學院巖土力學研究所的TFD-2000 微機伺服控制巖石三軸流變試驗機，見圖2。該實驗儀器可以完成不同水壓下三軸試驗和三軸流變試驗等巖石力學試驗，其主要技術參數為：

（1）最大試驗力2000kN，測量分辨率為10N。

（2）最大圍壓70 MPa，測量分辨率為0.001MPa。

（3）最大孔隙水壓70MPa，最大軸向變形10mm，測量精度。0.5%。

圖2 TFD-2000 微機伺服控制巖石三軸流變試驗機

1.2 試驗方案

為研究損傷鹽巖在圍壓條件下恢復情況，在同一圍壓條件下，先對試樣進行常規三軸試驗，得出實驗數據，了解鹽巖試樣的基本力學特性，然后對其進行不同圍壓的恢復試驗A1、A2、A3；不同圍壓試驗：保持試樣峰值應力10%的壓力，然后分別以10MPA、15MPA、20MPA 圍壓保持6h，最后進行單軸抗壓試驗。實驗步驟如下：

（1）采用熱縮管對試樣進行密封，防止測試過程中硅油侵入試樣。待安裝好試樣之后，進行軸向與徑向引伸計調試，放下壓力缸，采用位移控制方式將放置試樣的平臺向上抬升至試樣與壓力桿相接觸的位置。

（2）進行充油，等待充油完成。

（3）施加軸向0.1kN 的荷載保證試樣與壓力桿充分接觸，接觸之后施加圍壓開始記錄數據。

（4）待圍壓至目標值后，采用位移控制以0.5mm/min 的速度將試樣向上抬，直到試樣破壞。

2 試驗結果分析

鹽巖經過損傷恢復之后，其裂縫界面在圍壓的約束作用下會得到部分愈合，表現鹽巖的強度得到一定的提升，為探索鹽巖強度與損傷之間的聯系，對該組試樣A1、A2、A3 的進行兩次應力加載，得到應力應變曲線對比圖進行研究，其中第一次加載表示對完好鹽巖加載至破壞的階段，第二次加載表示損傷鹽巖通過恢復試驗后再次加載至破壞的階段。

2.1 三軸試驗數據分析

圖3 B1（10MPa）實驗前后應力應變對比圖

圖4 B2（15MPa）實驗前后應力應變對比圖

圖5 B3（20MPa）實驗前后應力應變對比圖

圖6 B1、B2、B3軸向應力應變關系曲線

該組試驗選取了B1、B2、B3 作為試驗對象進行研究。在實驗中，采用在相同的試驗溫度（30℃），相同的穩壓時間（即6h 穩壓時間），對B1、B2、B3 試樣進行不同圍壓（10MPa 15MPa 20MPa）的試驗，得到的應力應變曲線對比圖。由上圖可知，通過試驗前后的應力應變曲線對比發現，雖然鹽巖在不同圍壓的作用條件下強度會得到部分的恢復，但其強度會在一定程度上受到損失，不能通過后期的恢復試驗條件達到原有的狀態。

2.2 恢復試驗數據分析

由圖6 可知，鹽巖在經過損傷恢復試驗之后，隨著圍壓的增加，鹽巖峰值應力和彈性模量逐漸增大且趨于穩定，其強度在試驗條件范圍內隨著圍壓的增加而增加；同時圍壓越大，恢復效果越明顯，表現為鹽巖加載初期的應力- 應變曲線斜率逐漸增大，其原因在于鹽巖在圍壓作用下的損傷恢復階段，大致可以分為快速恢復階段以及緩慢恢復階段。在快速恢復階段中，鹽巖的恢復速率較快，內部大量的孔隙受到側向周圍壓力而迅速閉合，逐漸得到快速的恢復。在緩慢恢復階段中，當鹽巖內部的孔隙被壓縮到一定的程度后，晶體之間接觸面積的增加導致恢復速率的減緩。

3 結論

3.1 不同圍壓條件下，鹽巖強度會得到部分的恢復，表現為鹽巖裂縫界面部分愈合，但其強度會在一定程度上受到的損失。

3.2 隨著圍壓的增加，鹽巖峰值應力和彈性模量逐漸增大且趨于穩定，其強度在試驗條件范圍內隨著圍壓的增加而增加；同時圍壓越大，恢復效果越明顯，表現為鹽巖加載初期的應力-應變曲線斜率逐漸增大。