论文部分内容阅读
摘要：砂岩处于高温条件下容易呈现出破裂状态，而本文通过细观，对砂岩的热破裂过程进行深入地研究，分析砂岩在不同温度的外界环境下所发生的性质，与砂岩内部所表现的细微变化。有实验观察研究而知，在高温条件下，砂岩本身的物理结构、渗透率、弹性波波速等性质会出现变化，且以上的变化会出现在某一温度范畴内
关键词：砂岩；热破裂
探究砂岩处于不同外界温度条件下所发生的性质改变是现阶段国内外学家专家的新课题，实质上，其的顺利开展是需求学者从石油、地热能等能源开发层面认识掌与握地球内部构造，在处理深处开采等方面都极其需求专家学者对砂岩在不同温度条件下所发生的性质变化进行研究。众所周知，砂岩本身含有许多不同种类的矿物颗粒，其一旦受热，就会使得内部各矿物颗粒出现不同程度的热涨情况，进而导致砂岩内部不同部分产生排斥力，当砂岩某一部分的变形完全不可以自由地产生时，所谓的热应力就由此产生，而一旦热应力强于砂岩原来所具有的强度，则就会导致砂岩出现破裂情况，从而使得砂岩的物理性质发生改变，例如渗透率等，与此同时还会发生声发射现象，以上所述过程就是所谓的砂岩热破裂。
一、砂岩出现热破裂的主导因素
众所周知，与普通的固体物质相比，砂岩具有其自身独特的结构，而且砂岩所具有的力学性质和它本身的结构、物理特性有紧密的联系，所以砂岩一旦受到较强的外界刺激，例如高温等，其本身的物理性质以及结构就会随之改变，除此以外，温度上升的方式以及增温速度都会大大影响作用着砂岩的热破裂过程。
（一）砂岩的物理性质以及结构因素
1、内部矿物颗粒。砂岩是一种通过各种矿物颗粒形成的多晶体，而每一种晶体都会具有其自身所特有的热膨胀系数与向异性，同时每种多晶体都会有自身特殊的结晶方向以及空间排列，由此就会使得不同晶体间的物理性能就有所不同。除此以外，不同晶体对高温的适应性不同，其所导致的物理性质变化就会在某程度上有所差异，从而直接影响到砂岩结构变化，而且砂岩内部各矿物颗粒的相互接触程度也会作用着砂岩的整个热破裂情况。也正因为各个矿物颗粒都产生的分子间作用力，且各自的作用程度不一，从而就使得晶体内部所产生的热破裂能量就有所差别，所以由此可见砂岩内部所含有的矿物颗粒会随温度变化而作用着砂岩的热破裂程度。
2、胶结因素。所谓砂岩的胶结物，即是指除了组成砂岩结构的矿物颗粒之外的物质，例如泥质、铁质等，而砂岩内部具有的独特强度就与这些胶结物的组成成分以及胶结类别有关。一般情况下，胶结物是存在于砂岩各种矿物颗粒的中间、贴附在矿物颗粒的表面，且其会导致原来简单的孔隙构造变得复杂化，在一定程度上大大弱化了砂岩的渗透率。除此以外，胶结物的导热性质强弱也直接影响作用着砂岩本身的导热系数大小，一般地胶结物的导热性强，砂岩的导热系数就会增大，胶结物的导热性弱，砂岩的导热系数就会降低。
3、矿物颗粒粒径因素。正常情况下，矿物颗粒粒径越小，他们之间所能够接触到的面积就会越大，所形成的抗张强度就会越大，相反矿物颗粒粒径越大，他们之间所能够接触到的面积就会越小，所形成的抗张强度就会越小，也由此可见由粒径较小的矿物颗粒所形成的砂岩在热破裂过程所需的热应力就会更大，其所需的外界温度就会越高。
4、砂岩内部的孔隙因素。正常情况下，砂岩内部会形成许多不同类型的孔隙结构，而以上可能相通或者单一的孔隙结构会直接作用着砂岩整个的强度、热破类过程。砂岩所形成的较大热应力就会使得孔隙结构具有阻碍砂岩变形以及裂纹产生的力量，其能大大减少砂岩微裂纹的出现。
（二）温度提高的方式与速度
在砂岩热破裂过程中，温度提高的方式主要有两种：均匀升温与剧烈升温。砂岩的导热性偏弱，如果经历剧烈的升温，因为砂岩的导热性能问题会存在滞后的可能性，砂岩内外部就会形成一定程度上的温度差异，所以就会使得砂岩热应力出现强弱变化，与此同时温度上升的速度会在一定程度上作用砂岩的热破裂程度。砂岩在热传导过程会形成时间效应才从而使得内部形成强大的热效应力，因此温度上升得越快，砂岩的热膨胀系数就会不断增大，微裂纹形成的速度以及数量就会不断上升。
二、砂岩热破裂过程的研究结果
在高温条件的影响下，砂岩的弹性波波速会伴随着温度的持续上升而出现逐渐降低状态，而其自身的渗透率以及孔隙度则会伴随着温度的持续上升而出现逐渐增大的形势，最重要的一点是弹性波波速、渗透率、孔隙度会在一定的温度范围内出现突变的情况。研究结果显示，弹性波波速的高低和砂岩本身的节理裂隙结构、有无填充、裂隙大小等有直接联系，因此可见完整无缺的砂岩的弹性波波速会比存在裂隙的砂岩的波速要高，如果高温条件使得砂岩物理结构产生微裂纹，节理裂隙就会阻碍弹性波波速的传输，从而大大减弱了弹性波波速，而如果温度逐渐降低直至恢复成室温，原本所产生的弹性波波速也不会因此而有所恢复，这是不可逆的变化过程。
砂岩内部所含有的矿物质众多，水则是其中的一种，经过高温的处理下砂岩内部的吸附水、层间水与晶格水就会逐渐脱出，而与砂岩内部存在的孔隙间距相比，水在砂岩内部所占有的体积完全是不能够忽视的，一旦水从砂岩内部脱掉，就会大大增大了砂岩的孔隙体积，从而在一定程度上影响作用着砂岩的渗透率。加热的速度不断提高，温度不断上升，使得砂岩的介质出现活化现象，塑性成分不断增多，最终使砂岩的物理性质由脆性改变为延性，即砂岩的物理结构以及物理性质产生了质的变化。当温度上升至某一程度时，砂岩内部的组成物质则将会相互发生相应的化学反应，产生新的化学物质，期间可能还会伴随相变、氢基扩散等现象。
随着温度的不断提升，砂岩膨胀的情况就会越激烈，因为不同砂岩会存在不同的热膨胀系数而同一砂岩内部各部分又存在向异性，进而使得砂岩自身不能够自由地变化，从而形成了热应力。一般情况下，温度变化1摄氏度就会使得砂岩内部热应力变化0.4～0.5的范畴，而一旦热应力的变化范畴大于砂岩本身所能够承受的界限，就会使得砂岩原本所达到的平衡点受到破坏，从而影响了砂岩本身的物理结构，且使得砂岩内部以及表面出现微裂纹。
三、结束语
现阶段，对砂岩的研究课题大多停留在对砂岩表面性的研究上，较少深入地研究探索砂岩内部的热破裂过程，而当前的数据测试、分析技术、微地震监测技术不断提高，所以我们可以通过地震监测技术来探究砂岩在发生热破裂时所产生信号，进而深入地了解分析砂岩的根本性质。除此以外核能一项极其重要的发展能源，可是核废料的安全储存问题则一直困扰着国民，一旦砂岩发生热破裂过程就会使得核废料渗漏，不仅影响核废料的储存稳定，而且还会导致严重的环境污染，因此能够利用砂岩的渗透率或者温度参数等因素来当成核废料安全储存警报指标，通过对数值进行实时地监测，全面建设安全的核废料储存安全系统。
参考文献：
[1] 张宁，赵阳升，万志军，董付科，冯子军. 三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2010（01）
[2] 赵阳升，万志军，张渊，曲方，谢广玉，魏新杰，马伟. 20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
[3] 赵阳升，孟巧荣，康天合，张宁，郤保平. 显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
[4] 张渊，赵阳升，万志军，曲方，董付科，冯子军. 不同温度条件下孔隙压力对长石细砂岩渗透率影响试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
5] 左建平，谢和平，周宏伟，彭苏萍. 不同温度作用下砂岩热开裂的实验研究[J]. 地球物理学报. 2007（04）
关键词：砂岩；热破裂
探究砂岩处于不同外界温度条件下所发生的性质改变是现阶段国内外学家专家的新课题，实质上，其的顺利开展是需求学者从石油、地热能等能源开发层面认识掌与握地球内部构造，在处理深处开采等方面都极其需求专家学者对砂岩在不同温度条件下所发生的性质变化进行研究。众所周知，砂岩本身含有许多不同种类的矿物颗粒，其一旦受热，就会使得内部各矿物颗粒出现不同程度的热涨情况，进而导致砂岩内部不同部分产生排斥力，当砂岩某一部分的变形完全不可以自由地产生时，所谓的热应力就由此产生，而一旦热应力强于砂岩原来所具有的强度，则就会导致砂岩出现破裂情况，从而使得砂岩的物理性质发生改变，例如渗透率等，与此同时还会发生声发射现象，以上所述过程就是所谓的砂岩热破裂。
一、砂岩出现热破裂的主导因素
众所周知，与普通的固体物质相比，砂岩具有其自身独特的结构，而且砂岩所具有的力学性质和它本身的结构、物理特性有紧密的联系，所以砂岩一旦受到较强的外界刺激，例如高温等，其本身的物理性质以及结构就会随之改变，除此以外，温度上升的方式以及增温速度都会大大影响作用着砂岩的热破裂过程。
（一）砂岩的物理性质以及结构因素
1、内部矿物颗粒。砂岩是一种通过各种矿物颗粒形成的多晶体，而每一种晶体都会具有其自身所特有的热膨胀系数与向异性，同时每种多晶体都会有自身特殊的结晶方向以及空间排列，由此就会使得不同晶体间的物理性能就有所不同。除此以外，不同晶体对高温的适应性不同，其所导致的物理性质变化就会在某程度上有所差异，从而直接影响到砂岩结构变化，而且砂岩内部各矿物颗粒的相互接触程度也会作用着砂岩的整个热破裂情况。也正因为各个矿物颗粒都产生的分子间作用力，且各自的作用程度不一，从而就使得晶体内部所产生的热破裂能量就有所差别，所以由此可见砂岩内部所含有的矿物颗粒会随温度变化而作用着砂岩的热破裂程度。
2、胶结因素。所谓砂岩的胶结物，即是指除了组成砂岩结构的矿物颗粒之外的物质，例如泥质、铁质等，而砂岩内部具有的独特强度就与这些胶结物的组成成分以及胶结类别有关。一般情况下，胶结物是存在于砂岩各种矿物颗粒的中间、贴附在矿物颗粒的表面，且其会导致原来简单的孔隙构造变得复杂化，在一定程度上大大弱化了砂岩的渗透率。除此以外，胶结物的导热性质强弱也直接影响作用着砂岩本身的导热系数大小，一般地胶结物的导热性强，砂岩的导热系数就会增大，胶结物的导热性弱，砂岩的导热系数就会降低。
3、矿物颗粒粒径因素。正常情况下，矿物颗粒粒径越小，他们之间所能够接触到的面积就会越大，所形成的抗张强度就会越大，相反矿物颗粒粒径越大，他们之间所能够接触到的面积就会越小，所形成的抗张强度就会越小，也由此可见由粒径较小的矿物颗粒所形成的砂岩在热破裂过程所需的热应力就会更大，其所需的外界温度就会越高。
4、砂岩内部的孔隙因素。正常情况下，砂岩内部会形成许多不同类型的孔隙结构，而以上可能相通或者单一的孔隙结构会直接作用着砂岩整个的强度、热破类过程。砂岩所形成的较大热应力就会使得孔隙结构具有阻碍砂岩变形以及裂纹产生的力量，其能大大减少砂岩微裂纹的出现。
（二）温度提高的方式与速度
在砂岩热破裂过程中，温度提高的方式主要有两种：均匀升温与剧烈升温。砂岩的导热性偏弱，如果经历剧烈的升温，因为砂岩的导热性能问题会存在滞后的可能性，砂岩内外部就会形成一定程度上的温度差异，所以就会使得砂岩热应力出现强弱变化，与此同时温度上升的速度会在一定程度上作用砂岩的热破裂程度。砂岩在热传导过程会形成时间效应才从而使得内部形成强大的热效应力，因此温度上升得越快，砂岩的热膨胀系数就会不断增大，微裂纹形成的速度以及数量就会不断上升。
二、砂岩热破裂过程的研究结果
在高温条件的影响下，砂岩的弹性波波速会伴随着温度的持续上升而出现逐渐降低状态，而其自身的渗透率以及孔隙度则会伴随着温度的持续上升而出现逐渐增大的形势，最重要的一点是弹性波波速、渗透率、孔隙度会在一定的温度范围内出现突变的情况。研究结果显示，弹性波波速的高低和砂岩本身的节理裂隙结构、有无填充、裂隙大小等有直接联系，因此可见完整无缺的砂岩的弹性波波速会比存在裂隙的砂岩的波速要高，如果高温条件使得砂岩物理结构产生微裂纹，节理裂隙就会阻碍弹性波波速的传输，从而大大减弱了弹性波波速，而如果温度逐渐降低直至恢复成室温，原本所产生的弹性波波速也不会因此而有所恢复，这是不可逆的变化过程。
砂岩内部所含有的矿物质众多，水则是其中的一种，经过高温的处理下砂岩内部的吸附水、层间水与晶格水就会逐渐脱出，而与砂岩内部存在的孔隙间距相比，水在砂岩内部所占有的体积完全是不能够忽视的，一旦水从砂岩内部脱掉，就会大大增大了砂岩的孔隙体积，从而在一定程度上影响作用着砂岩的渗透率。加热的速度不断提高，温度不断上升，使得砂岩的介质出现活化现象，塑性成分不断增多，最终使砂岩的物理性质由脆性改变为延性，即砂岩的物理结构以及物理性质产生了质的变化。当温度上升至某一程度时，砂岩内部的组成物质则将会相互发生相应的化学反应，产生新的化学物质，期间可能还会伴随相变、氢基扩散等现象。
随着温度的不断提升，砂岩膨胀的情况就会越激烈，因为不同砂岩会存在不同的热膨胀系数而同一砂岩内部各部分又存在向异性，进而使得砂岩自身不能够自由地变化，从而形成了热应力。一般情况下，温度变化1摄氏度就会使得砂岩内部热应力变化0.4～0.5的范畴，而一旦热应力的变化范畴大于砂岩本身所能够承受的界限，就会使得砂岩原本所达到的平衡点受到破坏，从而影响了砂岩本身的物理结构，且使得砂岩内部以及表面出现微裂纹。
三、结束语
现阶段，对砂岩的研究课题大多停留在对砂岩表面性的研究上，较少深入地研究探索砂岩内部的热破裂过程，而当前的数据测试、分析技术、微地震监测技术不断提高，所以我们可以通过地震监测技术来探究砂岩在发生热破裂时所产生信号，进而深入地了解分析砂岩的根本性质。除此以外核能一项极其重要的发展能源，可是核废料的安全储存问题则一直困扰着国民，一旦砂岩发生热破裂过程就会使得核废料渗漏，不仅影响核废料的储存稳定，而且还会导致严重的环境污染，因此能够利用砂岩的渗透率或者温度参数等因素来当成核废料安全储存警报指标，通过对数值进行实时地监测，全面建设安全的核废料储存安全系统。
参考文献：
[1] 张宁，赵阳升，万志军，董付科，冯子军. 三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2010（01）
[2] 赵阳升，万志军，张渊，曲方，谢广玉，魏新杰，马伟. 20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
[3] 赵阳升，孟巧荣，康天合，张宁，郤保平. 显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
[4] 张渊，赵阳升，万志军，曲方，董付科，冯子军. 不同温度条件下孔隙压力对长石细砂岩渗透率影响试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（01）
5] 左建平，谢和平，周宏伟，彭苏萍. 不同温度作用下砂岩热开裂的实验研究[J]. 地球物理学报. 2007（04）