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溫度對深部巖石力學(xué)性質(zhì)的影響大綱1研究背景2溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)影響機理3應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律4抗壓強度變化規(guī)律5彈性模量變化規(guī)律6結(jié)論1研究背景
隨著石油勘探開發(fā)向地層更深處發(fā)展,有必要了解深部地層巖石力學(xué)性質(zhì),以便為工程研究和施工提供依據(jù)。而地層巖石總是處在一定的地溫環(huán)境中,與地表巖石有很大不同。將常溫下巖石的力學(xué)性質(zhì)當(dāng)作地層巖石的力學(xué)性質(zhì),會給工程帶來極大的偏差,因此有必要研究溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。2溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)影響機理礦物顆粒熱膨脹礦物結(jié)構(gòu)及成分巖石孔隙結(jié)構(gòu)含水性及比例2.1礦物顆粒熱膨脹
受溫度作用,由于成巖礦物之間的熱膨脹系數(shù)存在一定差異,加之,礦物顆粒之間的相互約束,導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)高的礦物受到壓縮,而熱膨脹系數(shù)低的礦物受到拉伸,其綜合結(jié)果是在巖石內(nèi)部形成熱應(yīng)力。由于熱應(yīng)力的存在,使得作用在巖石礦物顆粒的有效應(yīng)力增加,導(dǎo)致巖石強度降低。熱應(yīng)力:溫度改變時,物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束,使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。2.2含水性及比例
受沉積環(huán)境和成巖后生作用影響,通常巖石中存在吸附水、層間水和結(jié)晶水。溫度的改變,導(dǎo)致巖石中含水性質(zhì)和含水比例會發(fā)生變化。溫度增加,使得吸附水和層間水蒸發(fā),巖石發(fā)生硬化,剛度變大,導(dǎo)致巖石的彈性模量有升高趨勢;繼續(xù)升溫,達(dá)到一定的溫度,晶格中的結(jié)晶水脫出,微裂紋端部水發(fā)生聚集和水解作用以及其他物理、化學(xué)反應(yīng),這些因素使得微裂縫迅速擴展,導(dǎo)致巖石強度降低。2.3巖石孔隙結(jié)構(gòu)
溫度對巖石孔隙結(jié)構(gòu)的影響比較復(fù)雜。溫度升高使得非均值的巖石顆粒差異膨脹變形,可能導(dǎo)致新的微裂縫出現(xiàn),或擴大原來空隙,也有可能導(dǎo)致原裂縫的閉合,這主要取決于巖石性質(zhì);溫度升高,導(dǎo)致巖石內(nèi)部可能出現(xiàn)熱開裂,造成不可逆的熱損傷。2.4礦物結(jié)構(gòu)及成分
當(dāng)溫度高于閾值溫度后,組成礦物出現(xiàn)相變,改變了礦物的結(jié)構(gòu),巖石介質(zhì)活化和塑性成分增加,從而促進(jìn)巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化。通常該閾值溫度較高,大于工程領(lǐng)域研究的溫度,所以在研究工程問題時,可以忽略。
閾值:指的是觸發(fā)某種行為或者反應(yīng)產(chǎn)生所需要的的最低
值。3應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律
溫度加載作用下,巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷四個階段:壓密階段、線彈性階段、弱化階段和破壞階段。隨溫度增加,巖石變形特征從脆性向塑性變化,峰值強度降低,彈性模量降低,壓密階段應(yīng)變變長,線彈性階段的應(yīng)變減小,峰后階段的應(yīng)變增加,從脆性破壞向拉剪破壞過度。4抗壓強度變化規(guī)律
巖石抗壓強度受溫度影響顯著,溫度增加,巖石抗壓強度降低,呈線性遞減關(guān)系。也有實驗表明,在低溫范圍,溫度增加,由于吸附水和層間水被蒸發(fā),巖石強度增強,溫度對巖石強度性質(zhì)的影響主要取決于溫度的作用范圍和巖石性質(zhì)。5彈性模量變化規(guī)律
巖石彈性模量受溫度影響顯著,溫度增加,巖石彈性模量降低,呈線性遞減關(guān)系。
林睦曾研究了巖石的楊氏模量隨溫度升高而變化的情況,安山巖、花崗巖、石英粗面巖等的楊氏模量在300℃以下隨溫度升高而急劇減小,但超過300℃后,楊氏模量幾乎保持恒定;而凝灰?guī)r和陶石等隨溫度的升高,彈性模量變化不大。
孟召平研究指出,砂巖彈性模量隨溫度的增加,呈線性遞減關(guān)系。其線性遞減比例系數(shù)與巖石的成巖作用有關(guān)。成巖作用強的巖石,其孔隙度小,巖石導(dǎo)熱性好,導(dǎo)致巖石彈性模量隨溫度的增加降低較快,反之,較緩。6結(jié)論
溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)影響顯著,涉及深部地層的工程問題,
應(yīng)考慮溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。
溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機理,主要包括礦物顆粒熱膨
脹性、含水性及比例、巖石孔隙結(jié)構(gòu)和礦物結(jié)構(gòu)及成分。
從應(yīng)力應(yīng)變曲線上看,隨溫度增加,巖石變形特征從脆性
向塑性變化,峰值強度降低,彈性模量降低,壓密階段應(yīng)
變變長,線彈性階段的應(yīng)變降低,
峰后階段的應(yīng)變增加,從脆性破壞向拉剪破壞過度。溫度
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