孔隙压力作用下岩石力学及声发射特性试验研究

陈 明,曾纪文,贺 浩

(1.武汉地质勘察基础工程有限公司,湖北 武汉 430070; 2.湖北省地质局 岩土工程技术研究中心,湖北 武汉 430070)

在多孔多相的岩石介质中,孔隙压力的变化导致岩石介质变形,从而引起力学参数的改变,反过来又导致渗透特性和孔隙压力的改变,从而影响流体渗流,这一耦合作用过程是同时发生的[1-3]。特别是在油气田地应力场研究中,孔隙压力的影响是非常重要的。因此,定量研究岩石物理力学参数随孔隙压力变化的规律对于油气田开发具有十分重要的意义[4-5]。

目前,国内外学者针对孔隙压力对岩石力学性质的影响已经进行了大量的研究。唐春安等[6]、杨天鸿等[7]利用自主开发的数值模拟软件F-RFPA2D研究了孔隙水压力大小和梯度对岩石加载破坏过程中裂纹萌生、扩展、破坏模式和强度的影响。刘琦等[8]通过理论推导了孔隙水压力变化对岩石孔隙度、渗透率、压缩系数和体积弹性模量的影响。相关试验研究结果表明砂岩和碳酸盐岩的抗压强度、弹性模量、剪切模量、体积模量和内摩擦角随孔隙压力的减小而增大,体积压缩系数、泊松比和黏聚力随孔隙压力的减小而减小,且各参数与孔隙压力可以用二项式拟合[9-11]。此外,邢福东等[12]通过试验研究表明孔隙水压力对大理岩和砂岩峰值强度的影响与围压有关,围压增大,降低程度减小。许江等[13]通过试验研究表明随着孔隙水压力的增大,砂岩的有效峰值破坏强度和有效剪切强度呈减小的趋势。Wang et al.[14]研究了围压和孔隙压力对饱和砂岩强度和变形特性的影响,并根据试验结果提出了一种考虑水—力耦合的新型弹塑性损伤模型。Zhou et al.[15]开展了北山花岗岩的水—力耦合三轴压缩试验,结果表明随着孔隙压力的增大,岩石的压缩性减小、膨胀性增加,并提出了水—力耦合作用下结晶岩石破坏过程的简化模型。

某油气田区块投入开发后,随着投产井数增加,年产气量逐渐上升,但地层压力下降很快。为模拟衰竭式开采对储层岩石力学特性的影响,在现有研究的基础上,本文采用MTS岩石力学试验系统和声发射测试系统,对储层岩石进行不同孔隙压力作用下的三轴压缩声发射试验,分析孔隙压力减小对岩石强度、变形、渗透率及声发射特征参数的影响。研究成果可揭示衰竭式开采对储层岩石力学特征的影响规律,为油气田开发动态分析提供一定的借鉴作用。

1 试验设备和试验方案

1.1 试验设备

本次试验所用的设备主要为MTS815.04岩石力学试验系统和声发射测试系统(图1)。该岩石力学试验系统可采用应力、位移等多种控制方式,主要性能指标如下:轴向最大荷载为4 600 kN,最大围压为140 MPa,最大孔隙压力为140 MPa,最高加载温度为200℃。声发射测试系统可接收岩样试验过程中产生的声发射信号,并转换成电信号,经前置放大、滤波、鉴别后,进入主机内生成振铃计数、能量、幅值等声发射事件参数。试验系统经改进后,声发射传感器可直接耦合在三轴压力缸内的岩样表面,避免了信号受缸体和缸内油液引起的信号幅度衰减和噪声干扰。

1.2 岩样制备

试验所用岩样为凝灰岩,取自岩心库的全直径岩心,埋深约3 800 m。将全直径岩心经过钻取、切割和打磨等工序,加工成直径为25 mm、高度为50 mm的圆柱形岩样,并保证两端面平整光滑,两端面的不平行度不超过0.05 mm,两端面与岩样轴线的偏差不超过0.25°。为了保证岩样均匀一致,减小岩石离散性对试验结果的影响,利用声波测试和密度测试结果筛选出一组差异较小的岩样。在试验前将所有岩样先烘干,然后抽真空饱和72 h。

1.3 试验方案

为了保证试验的安全性,必须满足试验过程中围压始终大于孔隙压力。依据埋深确定试验围压为60 MPa,围压恒定,5组岩样按照孔隙压力分别为40、30、20、10、0 MPa的加载条件来进行测试。其加载方式为:首先以静水压力状态同步增加围压和轴压至围压预定值60 MPa,之后将孔隙压力加载至初始值40 MPa,稳定10 min后,将孔隙压力降至预定值(30、20、10、0 MPa),再稳定10 min,然后在保持围压恒定的条件下,增加轴压至80 MPa时,利用瞬态法测试当前应力状态下的渗透率,最后继续增加轴压直至岩样破坏,并全程监测声发射信号。围压加载速率为0.2 MPa/s,孔隙压力加、卸载速率为0.2 MPa/s,轴压加载采用位移控制,加载速率为0.000 5 mm/s。

2 试验结果及分析

2.1 应力—应变曲线分析

如图2所示,给出了不同孔隙压力作用下岩样加载破坏全过程的应力—应变曲线。从图2中可以看出,在60 MPa高围压作用下,所有岩样的初始加载压密阶段均不明显,这是由于凝灰岩内部结构致密,孔隙率低,且在静水压力加载过程中,天然孔隙逐渐闭合;随着轴向偏应力(轴向应力与径向应力之差)的增加,轴向应变和径向应变均呈线性增加,在峰值应力前非线性变形很小,且轴向变形要明显大于径向变形;轴向偏应力达到峰值后,应力迅速跌落且伴随有清脆的破裂响声,具有明显的脆性破坏特征。由于围压的存在,岩样破坏后还具有一定的残余强度。

图2 不同孔隙压力作用下岩样的应力—应变曲线

同一围压作用下,随着孔隙压力的减小,岩样的线性变形段增大,峰值应力、残余强度和轴向及径向峰值应变也增大,且峰后应力跌落速率下降,具有脆性减弱、延性增强的趋势特征。

2.2 强度和变形参数分析

表1为不同孔隙压力作用下岩样物理力学参数的试验结果,可以看出不考虑个别异常点,同一围压作用下,岩样的弹性模量、峰值应力、轴向应变和径向应变随孔隙压力的减小有增大的趋势,泊松比随孔隙压力的减小有减小的趋势。当孔隙压力由40 MPa分别降低为30、20、10、0 MPa时,弹性模量分别增大了1.72%、3.32%、3.34%、3.59%,峰值应力分别增大了13.77%、22.93%、34.55%、49.12%,轴向应变分别增大了12.41%、20.24%、32.21%、45.22%,径向应变分别增大了24.87%、10.68%、18.99%、21.61%,泊松比分别减小了5.43%、18.35%、9.24%、21.81%。这表明孔隙压力的变化对峰值应力的影响最大,其次是轴向应变、泊松比和径向应变,对弹性模量的影响最小。在相同的围压和轴压作用下,岩样的渗透率随孔隙压力的减小有减小的趋势,且渗透率在40～30 MPa孔隙压力段的变化幅度较大,而在30～0 MPa孔隙压力段的变化幅度较小。

表1 不同孔隙压力作用下岩样物理力学参数的试验结果

对以上试验结果分析,除个别异常点外,岩样物理力学参数与孔隙压力的关系曲线如图3所示。图3-a～e表明弹性模量、泊松比、峰值应力、轴向应变和径向应变与孔隙压力之间符合线性变化关系,而图3-f表明渗透率与孔隙压力之间符合指数变化关系。岩样物理力学参数与孔隙压力的关系式如下:

图3 岩样物理力学参数与孔隙压力的关系曲线

E=23.449-0.019 8PP,R2=0.827

(1)

μ=0.101+0.000 6PP,R2=0.690

(2)

σP=615.206-4.951 7PP,R2=0.992

(3)

ε1=29.194-0.223 4PP,R2=0.992

(4)

ε3=3.220-0.014 8PP,R2=0.971

(5)

k=9.155 31×10-7exp(0.198 16PP),R2=0.892

(6)

式中:E为弹性模量;μ为泊松比;σp为峰值应力;ε1为轴向应变;ε3为径向应变;k为渗透率;Pp为孔隙压力;R2为相关系数。

根据有效应力原理与Mohr-Coulomb强度准则,考虑孔隙压力作用下岩石的抗剪强度τf为:

τf=c+(σ-αPP)tanφ

(7)

式中:c为黏聚力;σ为总应力;α为有效应力系数;PP为孔隙压力;φ为内摩擦角。

假设有效应力系数为常数,在总应力一定条件下,孔隙压力的增大将使有效应力减小,抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角减小,且黏聚力的变化明显大于内摩擦角[16],由式(7)可知孔隙压力越大,岩石的抗剪强度越低,岩石越容易发生破坏。

另一方面,在孔隙压力作用下,孔隙流体的水力尖劈效应将加剧岩石内部微裂隙的扩展、延伸,并促使其贯穿形成破坏面,加剧岩石的宏观破坏失稳,从而降低岩石强度;且孔隙压力越高,尖劈效应越强,岩石抗压强度的降低幅度越大[17]。

2.3 破坏特征分析

如图4所示,给出了不同孔隙压力作用下岩样加载破坏形态,可以看出在高围压60 MPa作用下,岩样的破坏模式均以剪切破坏为主,除0 MPa孔隙压力作用的岩样外,其他岩样均存在明显的贯穿剪切主破裂面,且其倾角在60°～80°范围内。在孔隙压力为40 MPa时,岩样破坏产生了一个斜向穿过试样的宏观主裂纹,且其倾角较大,为80°。随着孔隙压力由40 MPa分别降低至30、20、10 MPa,宏观主裂纹倾角也分别减小至75°、68°、60°。当孔隙压力降低至0 MPa时,岩样没有很明显的剪切主破裂面,出现了较多数量的细小裂纹,破碎程度明显增大。这也进一步说明了孔隙压力的存在对岩石内部微裂隙的扩展、延伸和主破裂面的形成具有促进作用,加剧了岩石的宏观破坏失稳。

图4 不同孔隙压力作用下岩样加载破坏形态

2.4 声发射特征分析

在室内试验中,岩石内部的矿物颗粒及其胶结物在加载过程中会发生破裂而释放能量,产生声发射信号。因此,声发射活动与岩石渐进破坏过程中内部微裂纹的萌生、扩展及贯通息息相关[18]。目前主要利用振铃计数和能量进行声发射时间序列特征分析,声发射能量反映了声发射事件的相对能量或强度,声发射振铃计数反映了声发射信号的强度和频度[19]。由于试验得到的声发射能量与声发射振铃计数的变化规律类似,因此下文研究中仅以声发射振铃计数为例来进行分析说明。

如图5所示,给出了不同孔隙压力作用下应力、振铃计数和累计振铃计数与时间的关系曲线,可以看出声发射事件大致经历了初始沉寂期(Ⅰ)、随机分布期(Ⅱ)、聚集爆发期(Ⅲ)3个阶段。

图5 不同孔隙压力作用下应力—时间—振铃计数关系

在Ⅰ阶段内,声发射振铃计数和累计振铃计数很小,几乎没有声发射事件产生,对应应力加载的压密阶段和弹性阶段,且Ⅰ阶段终点对应的应力为起裂应力(σci)。产生以上现象的原因是岩样本身内部结构致密,孔隙和裂隙相对不发育,经过前期围压静水压力加载阶段的压密作用,岩样内部初始微裂纹基本已经闭合,在该阶段继续加载应力后很少或几乎没有初始微裂纹闭合(应力应变曲线压密段不明显可以反映出此特征)且围压会限制新的微裂纹产生。相关研究表明,围压对三轴加载前期声发射的产生起到一定的抑制作用,且施加的围压越大,这种抑制作用愈显著[20]。

在Ⅱ阶段内,声发射振铃计数和累计振铃计数增加,声发射事件随机分布,产生了少量能量较小的声发射事件,表明岩样内部已经开始产生新的微裂纹,内部逐渐出现损伤,微裂纹在岩样内部稳定扩展,但能量仍然较低,Ⅱ阶段终点对应应力为损伤应力(σcd)。

在Ⅲ阶段内,当应力超过损伤应力时,声发射振铃计数和累计振铃计数急剧增加,声发射事件在时间轴上出现聚集现象,产生了大量能量较大的声发射事件,对应表明岩样内部损伤程度明显增大,微裂纹在岩样内部不稳定扩展,主破裂面逐渐形成,承载能力逐渐降低。在应力达到峰值之后垂直跌落的瞬间,声发射振铃计数出现了大幅度增加突变,累计振铃计数—时间曲线也呈90°笔直上升,说明此时产生了能量巨大的声发射事件,表明岩样内部微裂纹相互贯通形成了宏观破裂面。在残余应力阶段,声发射振铃计数有所减小,但累计振铃计数还是显著增加,对应表明岩样内部损伤程度不断增大。

随着孔隙压力的减小,除个别岩样外,达到起裂应力和损伤应力所需的时间变长,对应的应力值增大,而且在Ⅲ阶段内的振铃计数和累计振铃计数也增加。这是由于三轴压缩轴向应力加载初期,岩石声发射机制主要是初始裂隙的闭合和压密;三轴压缩轴向应力加载中后期,岩石声发射机制主要是裂纹的成核、扩展和贯通,峰后阶段还有沿宏观断裂面的摩擦作用。围压恒定,随着孔隙压力的减小,导致有效围压增大,围压加载初期的裂隙压密和闭合现场越显著,三轴加载中后期岩石内部微裂纹的成核、扩展和贯通变得越困难。岩石破坏时单位体积耗能越大,剪切破裂面摩擦效应越强,穿晶断裂破坏模式越多[21]。

相关研究[22]表明,通常情况下,岩石起裂应力与峰值应力的比值为0.3～0.5,岩石损伤应力与峰值应力的比值为0.7～0.85。Eberhardt et al.[23]最早提出利用声发射方法确定岩石的起裂应力和损伤应力,基于以上试验结果采用此方法确定的起裂应力、损伤应力、起裂应力水平(起裂应力与峰值应力的比值)和损伤应力水平(损伤应力与峰值应力的比值)如表2所示。图6-a为起裂应力和损伤应力随孔隙压力的变化曲线,图6-b为起裂应力水平和损伤应力水平随孔隙压力的变化曲线。从表2和图6中可以看出,起裂应力水平在0.51～0.67,损伤应力水平在0.87～0.92,凝灰岩均质致密且脆性较强等硬岩特征导致其起裂应力水平和损伤应力水平比一般岩石偏高。随孔隙压力的减小,起裂应力水平和损伤应力水平无明显变化规律,而起裂应力、损伤应力同峰值应力随孔隙压力降低呈线性增大,会导致水力压裂施工过程中需要的破裂压力比较大,难以形成裂缝,其表达式为:

表2 不同孔隙压力作用下的起裂应力和损伤应力

图6 特征应力及其应力水平随孔隙压力的变化曲线

σci=355.88-1.984PP,R2=0.878

(8)

σcd=551.6-4.47PP,R2=0.992

(9)

3 结论

(1) 在60 MPa围压作用下,凝灰岩的加载压密阶段均不明显,在峰值应力前非线性变形很小,具有明显的脆性破坏特征。孔隙压力的变化对峰值应力的影响最大,其次是轴向应变、泊松比和径向应变,对弹性模量的影响最小。凝灰岩的破坏模式均以剪切破坏为主,主破裂面倾角在60°～80°范围内且随孔隙压力减小而减小。

(2) 同一围压作用下,随着孔隙压力的减小,弹性模量、峰值应力、轴向应变和径向应变呈线性增大,而泊松比和渗透率分别呈线性和指数减小。凝灰岩起裂应力水平在0.51～0.67,损伤应力水平在0.87～0.92,较一般岩石偏大。

(3) 整个加载过程中的声发射事件可利用起裂应力点和损伤应力点作为分界点,划分成初始沉寂期(Ⅰ)、随机分布期(Ⅱ)、聚集爆发期(Ⅲ)3个阶段。

(4) 随着孔隙压力减小,达到起裂应力和损伤应力所需的时间变长,起裂应力和损伤应力呈线性增大,会增大水力压裂造缝施工难度。