三轴围压条件下岩石力学性质的实验研究

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我国拥有丰富的深层油气资源,深层油气资源的开发所面临的重大技术难题都与岩石力学密切相关,在石油开发的众多工程中,需要知道在某种应力状态下岩石是否发生破坏,例如井壁稳定、地层出沙、钻头破岩等问题。岩石强度准则是表征应力状态与岩石强度的函数关系,用于判断岩石在某种应力状态下是否发生破坏的基础理论。为了解决深部油气开发所涉及的岩石力学问题,为工程提供足够科学的理论支撑,需要找到足够精确的岩石强度准则数学模型,并且做足够多的均质岩样破坏实验来建立这种函数关系,但石油工程的特殊性在于井眼尺寸非常有限,几乎不可能像地面工程那样采集到足够多的岩样,满足建立强度准则的实验要求,岩样的缺少成为制约科学建立强度准则的技术瓶颈。我们通过文献资料和实验数据对四种强度准则进行了对比分析,得出了以下认识:Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则不适于描述高围压下岩石的非线性强度特征,而含三参数的指数型强度准则在这方面有明显的优势,能够用于不同井底压力下岩石的强度特征的描述。三参数的幂函数准则虽然精度也很不错,但是由于其参数的物理意义不明确,因此应用性还有待进一步研究。针对石油工程岩样缺少的客观事实,采用数理统计的相关方法,试图从实验手段上找到减少岩样精确建立岩石强度准则的方法。研究发现,科学的减少实验次数,在一定程度上能够满足获取岩石强度准则参数的要求,并能够达到一定的精度要求,其关键是围压级别的选取和对某种岩石强度基本规律的认识。由于岩石种类众多,非均质性较强,力学性质复杂,其基本规律仍然需要做大量的研究工作。单块法作为被国际岩石力学学会认可实验方法之一,但并未得到广泛推广,主要由于单块法与多围压、多次实验相比,实验难度极大。本文通过文献资料数据的分析及开展常规三轴压缩和单岩样多级连续加载的对比实验,认为,单块法的加载中止点难以掌控,高围压很难在单块实验时加载上去,其实验结果对强度准则参数的确定有较大影响,单块法所取强度点为屈服点,低于岩石峰值强度点,建立的强度准则较为保守,其实关键问题在于屈服点与峰值点之间的关系没有弄清楚,如何将岩石屈服点强度准则矫正为峰值点强度准则值得进一步研究。通过岩石力学强度准则的对比分析及开展常规三轴压缩和单岩样多级连续加载的对比实验,为强度准则的优化改进、实验过程的简化及实验成本的节约提供了非常有价值的参考。
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