典型盐岩力学特性分析

完颜祺琪*，沈雪明，垢艳侠，冉莉娜

典型盐岩力学特性分析

完颜祺琪1，2，3*，沈雪明4，垢艳侠2，3，冉莉娜2，3

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.中国石油天然气集团公司油气地下储库重点实验室，河北廊坊065007；4.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉430100

通过单轴、三轴压缩实验及劈裂等实验研究了湖北云应、江苏淮安和河南平顶山3个地区层状盐矿岩样的短期力学特性，并对不同地区及不同深度地层的纯盐岩力学特性进行比较分析。结果表明：（1）3地区中单轴抗压强度和弹性模量最大的岩样为泥岩和含泥岩的盐岩，而其泊松比却是最小的，证明了泥岩变形性能差的特性。含有不同杂质的盐岩其抗压强度和弹性模量有所增加，其泊松比对杂质的变化不是太敏感。纯盐岩抗压强度、弹性模量和泊松比随地层深度的增加而增大，取自较浅地层的岩样单轴实验有明显的压密阶段。（2）不同地区的岩样都有随围压的增大峰值强度相应增大的规律。纯盐岩的内摩擦角基本都大于其他岩样的值，而黏聚力则都小于其他岩样的值。反映了纯盐岩晶体颗粒大，含杂质少的特点。（3）不同地区的纯盐岩相对于其他岩样的抗拉强度最小。

盐岩；泊松比；弹性模量；抗拉强度

引言

为更好地开展盐岩水溶开采及其他相关研究工作，对盐岩力学性质进行研究至关重要。盐岩具有低渗透、损伤恢复及良好的蠕变特性，可用于能源类的地下储存，同时也可用于核废料以及工业废料的存储。系统开展盐岩力学特性研究可以更好地指导储库的建设和运行。

自20世纪60年代以来，国外学者［1-5］开展压缩实验研究，包括单轴压缩及三轴压缩。通过实验，得到盐岩的形变特性及抗压强度，指出了盐岩是一种软岩，有强度低、变形大的特性，并建立了以莫尔-库仑强度理论为基础的强度理论。和国外盐丘型盐层不同，中国盐矿大多数为含夹层的层状盐岩，所以针对中国盐岩力学特性的研究是有独特意义的。唐明明、李银平等对含泥质夹层盐岩的应力应变全过程进行了实验研究，为层状盐岩体储库盐腔稳定性分析提供理论基础［6-8］。刘江、刘新荣等研究表明，围压的不断增大，盐岩的弹模和应力峰值对应的应变逐渐增大，导致扩容量减少［9-12］。在三轴荷载下，盐岩的强度以及刚度均有强化的趋势。高小平和严仁俊等开展不同温度条件下，盐岩力学实验研究，从结果可以看出，伴随温度的增大，盐岩的力学性质劣化明显，峰值应力和弹性模量降低，峰值应变增加［12-15］。王安明等对平顶山地区废弃盐腔进行了稳定性数值分析，并对典型盐样进行了力学特性实验研究［16］。许宏发等为研究盐岩体积应变特性进行了多组不同状态的循环荷载实验［17］。刘建锋等利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正，得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数［18］。

本文以湖北云应、江苏淮安和河南平顶山3个地区层状盐矿为研究对象，对取芯岩样进行单轴、三轴压缩及劈裂等实验，得到各地区盐岩的力学参数，并针对不同地区，不同地层深度的盐岩开展力学特性的比较分析。为各地区储库建设提供参考数据。

1 试件制备及实验方案

单轴实验时，轴向荷载加载速度为0.50 MPa/s。在岩样与实验机之间涂抹润滑剂，减少了“端部效应”。

三轴实验时，先加载径向压力和轴向压力，加载速度为0.05 MPa/s，直至预定的径向压力值，并保持径向压力在实验过程中保持为常数。继而采用0.50 MPa/s的加荷速度施加轴向荷载，直至试件完全破坏。

劈裂实验时，以0.40 MPa/s的速度加载直至破坏。

2 不同地区实验结果及分析

2.1 单轴压缩实验

淮安地区岩样分为纯盐岩、钙芒硝质泥岩、泥岩等3类。实验结果如表1所示。

表1 淮安地区岩样力学参数Tab.1 Different rocks mechanical parameters in Huai′an

由表1可以看出：泥岩的单轴抗压强度最大，其次是钙芒硝泥岩，纯盐岩的单轴抗压强度最小。弹性模量在量值上从大到小依次为泥岩、钙芒硝泥岩、纯盐岩。泊松比在量值上从大到小依次为纯盐岩、钙芒硝泥岩、泥岩。

2．2 两年内有发作的现患哮喘儿童分布情况 480例两年内有哮喘发作的现患儿童中，男童为308例（64．17%）例，女童为172例（35．83%），男、女患病率 分 别 为 5．38% （308／5 723）和 3．46% （172／4 969），差异具有统计学意义（χ2＝22．875，P＜0．001）。

平顶山地区岩样分为灰白色盐岩、黑灰色盐岩、含泥岩夹层盐岩等3类。实验结果列于表2中。单轴抗压实验主要用于岩石样品的弹性模量、泊松比以及抗压强度的确定。岩样的变形破坏可分为4个阶段：压密阶段；弹性变形阶段；塑性变形阶段；破坏阶段。

由表2实验结果可以得出：弹性模量在量值上从大到小依次为含泥岩夹层盐岩、黑灰色盐岩、灰白色盐岩。泊松比在量值上从大到小依次为灰白色盐岩、黑灰色盐岩、含泥岩夹层盐岩。从上可知灰白色盐岩和灰黑色盐岩在抗压强度和弹性模量上都非常接近，唯一区别是变形能性能上黑灰色盐岩弱于灰白色盐岩。

表2 平顶山地区岩样力学参数Tab.2 Mechanical parameters of different rocks in Pingdingshan

云应地区岩样按其主要含杂质成分分为钙芒硝盐岩、硬石膏盐岩、泥质混合盐岩、纯盐岩和泥岩等5类。实验结果见表3。由表3可以看出：泥岩的单轴抗压强度最大，其次为钙芒硝盐岩、硬石膏盐岩、泥质混合盐岩，纯盐岩最小。弹性模量在量值上从大到小依次为泥岩、泥质混合盐岩、硬石膏盐岩、钙芒硝盐岩、纯盐岩。泊松比在量值上从大到小依次为硬石膏盐岩、泥质混合盐岩、钙芒硝盐岩、纯盐岩、泥岩。综上，该地区泥岩相对其他岩石强度要高、变形小。泥质混合盐岩由于其中盐岩的成分使其抗压强度相对于泥岩要小，但泊松比有所增大，变形性能也有所增加。

表3 云应地区岩样力学参数Tab.3 Mechanical parameters of different rocks in Yunying

2.2 三轴抗压实验

三轴抗压实验的主要目的是测定岩石样品的内摩擦角以及黏聚力。实验所用围压要根据所取岩芯所在地层的埋深以及地应力等条件确定。

云应地区共进行了14块三轴压缩实验，根据岩性把岩样分为钙芒硝盐岩、硬石膏盐岩、泥质混合盐岩、纯盐岩和泥岩等5类。围压分别取值为10，16和22 MPa，图1为云应地区不同岩样不同围压下的抗压强度均值比较。可以看出，不同岩样随着围压的增加其抗压强度相应增大的规律，三轴实验中不同岩样强度分布规律与单轴实验比较变化较大。该地区的纯盐岩对围压的反应比较明显，16 MPa围压下的三轴抗压强度约是单轴抗压强度的14.5倍，其中，钙芒硝盐岩、泥质混合盐岩、泥岩的三轴抗压强度约是单轴抗压强度的3.0倍多，硬石膏盐岩为2.6倍。

图2给出了4类岩样不同围压下的强度关系曲线。从图2可知，4类岩样随围压的增大峰值强度相应增大。在16 MPa围压下时，纯盐岩的强度增长速率最大，其次是泥质混合盐岩，而硬石膏盐岩和钙芒硝盐岩的强度增长速率有所减缓。所以随着围压的增加它们之间的强度差值会越来越大。

图1 云应地区不同岩样单轴与三轴强度比较Fig.1 Different salt rock uniaxial and triaxial strength comparisons in Yunying

图2 云应地区不同岩样峰值强度对比曲线Fig.2 The comparison of different rock samples peak intensity curve in Yunying

淮安地区共进行了28块三轴压缩实验，根据岩性把岩样分为纯盐岩、钙芒硝质泥岩、和泥岩等3类。其中围压分别取值为20，25和30 MPa。图3为淮安地区不同岩样不同围压下的抗压强度均值比较。由图3可以看出，该地区的泥岩岩样对围压的反应比较明显，30 MPa围压下的三轴抗压强度约是单轴抗压强度的7.2倍。纯盐岩和钙芒硝质泥岩在围压的作用下，抗压强度也有明显的提高。

图4给出了3类岩样不同围压下的强度关系曲线。可以看出，3类岩样随围压的增大峰值强度相应增大，但泥岩、钙芒硝质泥岩在25 MPa及以上围压的作用下强度增加速率有所减缓，而纯盐岩随围压的增大峰值强度呈线性增长趋势比其他两类岩样都要明显。

平顶山地区共进行了23块三轴压缩实验，根据岩性把岩样分为灰白色盐岩、黑灰色盐岩、泥岩、含泥岩夹层盐岩等4类。其中围压分别取值为15，20和30 MPa。

图3 淮安地区不同岩样单轴与三轴强度比较Fig.3 Different salt rock uniaxial and triaxial strength comparisons in Huaian

图4 淮安地区不同岩样峰值强度对比曲线Fig.4 The comparison of different rock samples peak intensity curve in Huai′an

图5 为平顶山地区不同岩样不同围压情况下抗压强度均值比较。由图可得，该地区的灰白色盐岩和灰黑色盐岩对围压的反应比较明显，30 MPa围压下的三轴抗压强度分别约是单轴抗压强度的4.6倍和3.5倍。泥岩在围压的作用下抗压强度也有明显的提高。

图6给出了4类岩样不同围压下的强度关系曲线。由图可以知道，4类岩样随围压的变化承载能力也不同，但是总体趋势基本上呈线性，随着围压的逐渐增加，4类岩样之间的峰值强度差别也越来越大，从大到小依次为灰白色盐岩、泥岩、黑灰色盐岩、含泥岩夹层盐岩。

图5 平顶山地区不同岩样单轴与三轴强度比较Fig.5 Different salt rock uniaxial and triaxial strength comparisons in Pingdingshan

图6 平顶山地区不同岩样峰值强度对比曲线Fig.6 The comparison of different rock samples peak intensity curve in Pingdingshan

2.3 劈裂法抗拉强度实验

抗拉实验采用巴西劈法，这是一种间接拉伸实验方法。通过对圆盘径向施压至其破坏，再根据弹性理论计算抗拉强度。

云应地区5类岩样抗拉实验结果为：钙芒硝盐岩抗拉强度值为2.67～4.50 MPa，均值为3.62 MPa；硬石膏盐岩抗拉强度值为1.27～3.19 MPa，均值为2.10 MPa；泥质混合盐岩抗拉强度值为2.50～4.87 MPa，均值为3.10 MPa；纯盐岩抗拉强度值为0.92～2.65 MPa，均值为1.03 MPa；泥岩抗拉强度值为0.97～2.52 MPa，均值为1.56 MPa。可以看出，抗拉强度中，钙芒硝盐岩最大，泥质混合盐岩次之、硬石膏盐岩最小。

淮安地区3类岩样抗拉实验结果为：纯盐岩抗拉强度值为0.69～1.92 MPa，均值为1.11 MPa；钙芒硝质泥岩抗拉强度值为1.26～4.03 MPa，均值为2.52 MPa；泥岩抗拉强度值为3.76～4.60 MPa，均值为4.05 MPa。对比可知泥岩的抗拉强度最高，其次是钙芒硝质泥岩，最小为纯盐岩。

平顶山地区4类岩样抗拉实验结果为：灰白色盐岩抗拉强度值为0.49～1.49 MPa，均值为0.97 MPa；黑灰色盐岩抗拉强度值为0.89～1.60 MPa，均值为1.34 MPa；泥岩抗拉强度值为0.96～6.45 MPa，均值为2.87 MPa。含泥岩夹层盐岩抗拉强度值为0.81～3.19 MPa，均值为2.05 MPa。对比可知，泥岩的抗拉强度最高，其次是含泥岩夹层盐岩，再次为黑灰色盐岩，最小为灰白色盐岩。由于灰白色盐岩的纯度相对黑灰色盐岩的纯度高一点，所以其抗拉强度稍弱于黑灰色盐岩。但是这两种盐岩的抗拉强度相对于泥岩和含泥岩夹层盐岩的强度还是相差1～2倍。

3 不同地区实验结果比较

3个地区岩样的地层深度分别为：云应地区740～1 023 m、淮安地区1 460～1 600 m和平顶山地区1 400～1 759 m。

平顶山地区的灰白色盐岩的组成成分接近纯盐岩，所以，把它和另两个地区的纯盐岩进行比较。通过实验数据总结可以得到3个地区纯盐岩的力学参数如表4。

表4 不同地区纯盐岩力学参数Tab.4 Mechanical parameters of pure salt rock in different regions

由表4可知，盐岩试样单轴压缩强度、弹性模量和泊松比最大的是平顶山地区，其次是淮安地区，最小为云应地区。从3个地区岩样的地层深度可知，盐岩的抗压强度、弹性模量和泊松比随地层深度的增加而增大。这主要是因为深层地层对岩石起到压实作用，使岩石中原来开启的裂隙可能闭合或孔隙受到压缩，从而提高了岩石的强度和刚度。

图7 不同地区盐岩部分单轴实验曲线Fig.7 Salt rock uniaxial compression test curve in different regions

不同地区盐岩部分单轴实验曲线如图7所示，云应纯盐岩单轴实验曲线有明显的压密阶段，而淮安纯盐岩单轴实验曲线的压密阶段相比云应地区要短，平顶山纯盐岩单轴实验曲线基本没有压密阶段。不同地区不同地层深度的纯盐岩，单轴实验曲线的硬化阶段随着地层深度的增加有缩短的趋势，表现出一定的脆性。

图8为3个地区的纯盐岩单轴压缩实验破坏形式。实验在单轴压缩荷载作用下有3种破坏形式。但是从3个地区的盐岩单轴实验结果来看，大多数试件都是拉伸破坏。这种类型的破坏是泊松效应的结果，在轴向应力的作用下，试样在环向将产生拉应力，在盐岩的抗拉强度小于拉应力时，将产生拉张破坏，形成多条纵向且平行于轴向的破裂面。

由表4可知，3个地区的峰值内摩擦角由大到小依次是云应、平顶山和淮安，而峰值黏聚力由大到小依次是淮安、平顶山和云应。内摩擦角从微观上反映了纯盐岩结晶颗粒的大小，内摩擦角越大晶体颗粒越大，宏观表现为破裂面的粗糙度越大，反之越小。由劈裂实验结果可知，3个地区的纯盐岩抗拉强度由大到小依次是淮安、云应和平顶山。

图8 盐岩单轴压缩实验不同破坏形式的对比Fig.8 Salt rock uniaxial compression test comparing different forms of damage

4 结论

（1）通过单轴压缩实验结果得到，不同地区中单轴抗压强度和弹性模量最大的岩样为泥岩和含泥岩的盐岩，而其泊松比却是各地区岩样中最小的，这充分证明了泥岩变形性能差的特性。盐岩由于含有不同杂质其抗压强度和弹性模量有所增加，而其泊松比对杂质的变化不是太敏感，一般在0.25～0.34。纯盐岩的抗压强度、弹性模量和泊松比随地层深度的增加而增大，取自较浅地层的岩样单轴实验有明显的压密阶段。

（2）通过三轴压缩实验结果得到，不同地区的岩样都有随围压的增大峰值强度相应增大的规律。对不同地区不同岩样的内摩擦角和黏聚力值的比较可得到，纯盐岩的内摩擦角基本都大于其他岩样的值，而黏聚力则都小于其他岩样的值。这间接反映了纯盐岩晶体颗粒大，含杂质少的特点，受压破坏界面会较为粗糙。

（3）通过劈裂实验结果得到，不同地区的纯盐岩相对于其他岩样的抗拉强度最小，其值在0.97～1.11 MPa。不同地区抗拉强度最大的岩样依次是云应地区的钙芒硝盐、淮安地区的泥岩和平顶山地区的泥岩。可以知道含杂质的盐岩的抗拉强度比纯盐岩要高，泥岩的抗拉强度普遍较大。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

The Analysis of the Mechanical Properties of Typical Salt Rock

WANYAN Qiqi1，2，3*，SHEN Xueming4，KOU Yanxia2，3，RAN Lina2，3
1.School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.Langfang Branch，PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Langfang，Hebei 065007，China
3.CNPC Key Laboratory of Oil&Gas Underground Storage Engineering，Langfang，Hebei 065007，China
4.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas，Yangtze University，Wuhan，Hubei 430100，China

It is studied the short term mechanical properties of samples of bedded salt in Yunying Hubei，Huaian Jiangsu and Pingdingshan Henan by doing experiments of monopodium and triaxial compression and splitting.It also compares stratums in different district and different depth of the pure salt rock mechanical properties.The results showed that（1）the rocks in different area which have the biggest uniaxial compressive strength and modulus of elasticity and the smallest Poisson ratio belong to mudstone and mud salt rock.It indicated that mudstone has bad deformation properties.The salt rock which has different impurity will increase its compressive strength and modulus of elasticity，and its Poisson ratio is not sensitive to the change of impurity.The compressive strength，modulus of elasticity and Poisson ratio of the pure salt rock increases with increase of the depth of stratum，the rocks from the shallow layer in uniaxial tests have obvious compression phase.（2）the sample in different regions increases as confining pressure peak intensity increase.The comparison of the internal friction angle and cohesive value for different sample in different regions can be obtained，and the internal friction angle of the pure salt rock are greater than those of other values，but the cohesion are smaller than other sample value，reflecting that the crystal particles of pure salt rock are big，and contain less impurity.（3）the tensile strength of the pure salt rock in different regions relative to the other samples is minimum.

salt rock；poisson′s ratio；elastic modulus；tensile strength

完颜祺琪，1981年生，男，满族，甘肃平凉人，工程师，博士研究生，主要从事油气地下储库建库地质综合评价工作。E-mail：wanyanqq@petrochina.com.cn

沈雪明，1988年生，男，汉族，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事油气地下储库建库地质综合评价工作。E-mail：332627070@qq.com

垢艳侠，1980年生，女，汉族，河北廊坊人，工程师，硕士，主要从事油气地下储库建库地质综合评价工作。E-mail：kouyanxia69@petrochina.com.cn

冉莉娜，1983年生，女，汉族，黑龙江大庆人，工程师，硕士，主要从事盐穴地下储气库建库技术研究工作。E-mail：ranln@petrochina.com.cn

10.11885/j.issn.1674-5086.2015.03.13.02

1674-5086（2016）01-0060-08

TE122

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160104.1711.020.html

完颜祺琪，沈雪明，垢艳侠，等．典型盐岩力学特性分析［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（1）：60-67．

WANYAN Qiqi，SHEN Xueming，KOU Yanxia，et al．The Analysis of the Mechanical Properties of Typical Salt Rock［J］．Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（1）：60-67．*

2015-03-13网络出版时间：2016-01-04

完颜祺琪，E-mail：wanyanqq@petrochina.com.cn