不同冷却方式对热损伤砂岩力学与声学特征影响

黄开桦，熊 健，袁毅儒

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500）

损伤是指在单调加载和重复加载下材料的微缺陷导致其内黏聚力的进展性减弱，并导致体积单元破坏的现象。近年来，随着油气勘探领域向着地层深处的延伸、地热能源开发利用发展加快[1-3]，高温环境的岩石类工程问题自然成为了制约深处岩石工程发展的关键因素之一[4，5]。在地层深部工程建设中，高温岩体遇到遇冷媒介而迅速冷却的现象，导致地下岩体发生损伤破坏，会给地下的工程带来严重的破坏，并造成严重的经济损失与人员安全的危险[6，7]。因此研究高温岩体在不同冷却方式处理下的声学特征、孔渗特征、弹性模量等参数的变化，可对深部高温岩体工程建设的安全与实时监控进行预测、评估。

针对高温岩体在不同冷却方式处理下的声学特征、孔渗参数、弹性模量、频域特征等参数，众多学者从数值模拟、仿真试验、室内试验等方面进行了大量的研究。1958年，苏联学者Kachanov L M[8，9]在对金属材料蠕变进行研究时，率先提出了“连续性因子”和“有效应力”的概念，这被视作损伤力学概念的起源；1963年，苏联学者Rabotnov Y N提出“损伤因子”的概念[10，11]；1978年，法国学者Lemaitre等[12]和Chaboche[13]建立了损伤力学学科。知识跨学科的应用、理论研究的不断补充，从此正式建立损伤力学，这对深部高温岩体工程研究有了进一步的理论支撑与实践依据。郭清露等[14]经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程，对25 ℃，200 ℃，400 ℃和600 ℃后的大理岩进行单轴压缩试验，并监测其全变形过程的声发射现象，选取归一化启裂应力和归一化损伤应力对岩石损伤进行描述；陈世万等[15]开展了不同温度和不同加热速率高温损伤后岩石压缩全过程渗透率试验，通过孔渗参数变化与电镜扫描研究岩石热处理后的裂隙演化；蔡燕燕等[16]通过对经历25～900 ℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验，研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态，研究花岗岩热处理后力学特性的变化；Chaki S等[17]通过试验研究了热损伤中粒花岗岩孔隙率、渗透特性和超声波速的变化趋势;Yavuz等[18]开展了热损伤对碳酸盐岩体积密度、超声波速和有效孔隙率等的研究。

通过以上分析可以看出，国内外研究学者对岩石经热处理后的劈裂强度、声学特征做了较多研究且取得了许多成果，但在不同降温方式对热损伤岩石的孔渗参数、声学特征、弹性模量等参数的影响研究还较少，且集中于单一冷却方式下的试验研究，而热损伤岩石在不同冷却方式下的孔渗参数、声学特征、弹性模量是地热资源开采、热储层识别等工程应用中的关键参数，因此有必要对该问题进一步开展试验研究。

1 试验概况

1.1 岩样准备与试验设备

为保证试验结果的可比性与准确性，试样采取同一地区的均质中砂岩，并制成Φ50 mm×25 mm的标准圆柱试样。加热设备采用真空加热烘箱，温度控制采取人机交互的操作，控制精度达±1 ℃，可按试验要求设置升温流程并进行自动化热处理；岩样的孔渗参数测量采用多功能气测孔渗设备测定；声学特征参数采用自研的超声透射装备进行测量、计算；每次热处理前后都需测量质量及表观参数，涉及的试验设备（见图1）。

1.2 试验原理与方法

图1 涉及的试验设备

图2 热处理后的砂岩试样

1.2.1 试样高温热处理 采用真空加热烘箱对岩样进行25 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃等温度的热处理，为使砂岩受热均匀，采取10 ℃/min的加热速率对岩石加热到预定温度梯度，并在达到预定温度后恒温2 h，而后选取不同的冷却方式对岩石进行降温，经热处理后的砂岩试样（见图2）。

1.2.2 两种高温冷却方案 本文主要研究不同冷却方式下，高温砂岩热损伤程度的差异与影响因素，岩样的热处理与不同冷却方式下的处理流程（见图3）。其中包括自然状况下冷却至室温、遇水冷却等情况。遇水冷却的处理情况以200 ℃为例，以10 ℃/min的升温速度加热岩样至200 ℃，恒温处理2 h，随后立刻取出试样并放入水中进行冷却，当岩样与冷却水恢复到室温后取出岩样并完全干燥。

图3 冷却方案示意图

1.2.3 孔渗参数测量 经热处理并在不同冷却方式下恢复到室温的砂岩，采用气测法，通过多功能气测孔渗设备对岩石孔隙度、渗透率参数进行测量、记录。试验过程中，保持一致的围压5 MPa，在测试数据保持稳定记录、计算得到孔渗参数（见表1）。

1.2.4 岩样声学参数的测算与应用 采用声波透射法处理岩石样品，测量岩石的声波特性，试验装置包括：交互Ultra Scope软件，超声波激发、接收装置、岩心夹持器、个人计算机等（见图4），依据岩样基本参数与测量数据计算岩样纵横波速度，进一步计算试样的动态弹性模量。

表1 试样孔渗参数测量结果

式中：L-岩样长度，mm；tp-纵波首波到时，ms；tp0-纵波系统延时，ms；ρ-岩样密度，g/cm3；G-动态弹性模量，GPa-横波时差对应慢度，ms-1；αc-单位转换系数。

2 试验结果与分析

2.1 质量、波速变化规律

试验中测定了试样经过不同温度梯度热处理、在不同冷却方式处理下恢复室温的波速变化、试样的质量损失率。图5（a）、图5（b）分别代表试样在自冷、水冷条件下，经不同温度的热处理后的质量损失率及P波速度变化曲线，从图中可以看出随着温度升高，P波速度不断下降，质量损失率不断增大且可以将其变化情况分为三个阶段：第一阶段：25～400 ℃，缓慢增加阶段，随着温度升高，试样质量损失率缓慢增加，主要以表面碎屑掉落与试样内结合水的丧失为主；第二阶段：400～600 ℃，迅速上升阶段，随着温度升高，试样质量迅速降低，质量损失率从6.5‰到17‰，主要以结晶水以及碎屑脱落为主；第三阶段：600～1 000 ℃，平缓上升阶段，此阶段的质量损失率变化量在3‰以内，与第一阶段变化幅度相当。

波速是反映岩石受热损伤后内部微裂隙发育程度以及充填基质性质变化状况的一个特别敏感的参数。从图5（a）、图5（b）中可以看出，波速的变化呈现随温度升高而下降的趋势，这表明随着温度的升高，岩石内部结合水、结晶水的丧失、热应力的作用下导致岩石内部微裂缝、微孔隙数目的增多；砂岩在遇水冷却后的弹性模量、P波速度比自然冷却下的砂岩低，且与质量损失率的变化恰好对应，可能是因为高温砂岩遇水冷却时因内外温度不均导致砂岩内部热应力分布不均匀，导致其内部产生更多的微裂缝、微孔隙。

图4 声波测量装置原理图

图5 不同冷却方式下，波速、质量损失率随热处理温度的变化

2.2 动弹性模量变化规律

高温处理后岩石的力学性质会发生不可逆的变化，通过测量、计算得到的声学参数、试样密度计算试样动态弹性模量，通过图6（a）、图6（b）可以看出不同冷却方式下，动弹性模量都随热处理温度的升高而减小，以400 ℃为拐点，可以将整个曲线分为两段：25～400 ℃，400～1 000 ℃，第一阶段内弹性模量下降较缓慢，质量损失率上升缓慢，第二阶段内弹性模量下降迅速、质量损失率迅速上升，在图6（c）中还可以看出砂岩在水冷条件下的弹性模量下降幅度更大、数值更小，说明试样在遇水冷却处理时的损伤程度更严重。

2.3 孔渗参数的变化规律

高温砂岩经过不同冷却方式处理后的气测孔隙度（见图7），高温砂岩经过不同冷却方式处理后在围压5 MPa，轴压10 MPa时的气测渗透率（见图8）。保持加热速率为10 ℃/min达到预定温度并恒温2 h后，经不同冷却方式处理下的试样，气测孔隙度、气测渗透率都随温度的升高而升高，以400 ℃为拐点，400 ℃以前的孔隙度、渗透率皆无明显变化，高于400 ℃处理后试样的孔隙度、渗透率随着温度的升高急剧升高，且渗透率数值达低于400 ℃处理后试样平均初始值的200～600倍。

岩石渗透性质的变化本质上是其内部结构的变化，试样的初始孔渗参数反映了热损伤后连通孔隙的发育程度，其数值随热处理温度的升高而升高，分析其原因可能是高温处理下的热应力导致试样内部出现微裂缝、微孔隙，进而显著提高了裂隙的连通率，试样内部孔隙率剧增；渗透率、孔隙度参数在400 ℃的数值突变反映了400～600 ℃存在热损伤孔隙类型突变的温度阈值。

图6 动弹性模量、质量损失率随热处理温度的变化

3 结论

图7 不同冷却方式下，孔隙度随热处理温度的变化

图8 不同冷却方式下，渗透率随热处理温度的变化

（1）砂岩随热处理温度的升高，砂岩试样表面色调变暖，P波速度不断下降，质量损失率不断上升，且两个参数出现明显变化的阈值温度皆在400～600 ℃。

（2）不同的冷却方式处理下，动弹性模量都随热处理温度的升高而减小，以400 ℃为拐点，可以将整个曲线分为平缓下降、急剧减小两个阶段。试样在水冷条件下的动弹性模量下降幅度更大，且数值均低于自然冷却时的试样。

（3）经热处理后试样的孔隙度、渗透率随温度的升高出现分阶段的变化趋势，都有先缓慢上升后急剧上升的两个阶段，其突变的阈值温度均在400～600 ℃。高于阈值温度处理后的试样性质变化显著，低于阈值温度处理后的试样性质无明显变化。400 ℃处理后，试样的渗透率达低于400 ℃处理后试样的200～600倍。