一、溫度對花崗巖縱波波速的影響
在加熱過程，花崗巖試樣會發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化。其中，物理變化主要包括巖石的縱波波速變化以及隨著溫度的變化，巖石內(nèi)的各種礦物發(fā)生膨脹，并且由于各種礦物的熱膨脹系數(shù)不等和熱膨脹的各向異性，從而使得礦物之間產(chǎn)生了相應(yīng)的熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，巖石內(nèi)部將產(chǎn)生新的微裂紋，同時原有微裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而影響井壁的穩(wěn)定性。
而其化學(xué)變化主要是指巖石內(nèi)部的晶體將會發(fā)生一定的相變，礦物成分發(fā)生轉(zhuǎn)變等。通常認(rèn)為當(dāng)溫度較低時，巖石僅發(fā)生物理變化，只有當(dāng)溫度較高時，才會發(fā)生物理和化學(xué)變化。本文主要是針對加溫前后花崗巖縱波波速變化問題進(jìn)行研究，并對其變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)的歸納與總結(jié)。通過對加溫前后花崗巖巖樣縱波波速的測定，得到巖樣縱波波速隨溫度的變化曲線，見圖2。從圖2可知，隨著加熱溫度的升高，巖樣的縱波波速呈降低趨勢，并且隨加熱溫度值的增加，其縱波波速的降低幅度逐漸增大。
同時從圖2中還可以看出，加溫前巖樣的平均縱波波速值為4587．2 m／s，而加溫至400℃冷卻后的平均縱波波速值降為1634.0 m／s，花崗巖的平均縱波波速降低了2953．2m／s，與初始縱波波速相比降低了約65％。其中影響縱波波速變化的主要原因包括：(1)在溫度的作用下，巖石內(nèi)部的自由水分蒸發(fā)，使得巖石的孔隙體積增大，從而加熱后巖樣的縱波波速降低；(2)由于巖石內(nèi)部各種礦物的熱膨脹系數(shù)不同和熱膨脹的各向異性，溫度的升高使得巖石內(nèi)部的礦物之間產(chǎn)生了相應(yīng)的熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，巖石內(nèi)部逐步產(chǎn)生新的微裂紋及舊微裂紋發(fā)生擴(kuò)展。
二、溫度對花崗巖三軸試驗力學(xué)參數(shù)的影響
圖3為經(jīng)歷不同高溫作用后，不同圍壓條件下的花崗巖壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖。從圖3可知，當(dāng)圍壓一定的情況下，加熱至不同溫度冷卻后的花崗巖常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段等4個階段。在壓密階段時，曲線呈上凹型，隨著溫度的升高，應(yīng)變增大較快，其主要是由于在荷載作用下，巖石內(nèi)部的微裂紋逐漸閉合。當(dāng)進(jìn)入彈性階段后，曲線基本呈直線狀態(tài)，應(yīng)力一應(yīng)變呈正比例關(guān)系。而在荷載逐步增加的情況下，曲線進(jìn)入屈服階段，由于巖石為非均質(zhì)體，其內(nèi)部強(qiáng)度較低的材料將發(fā)生屈服破壞，同時巖石內(nèi)部將會產(chǎn)生新的裂紋，使得應(yīng)力一應(yīng)變曲線發(fā)生偏移，同時巖樣表現(xiàn)出初步的損傷。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，巖樣則進(jìn)入破壞階段。此時巖石試樣已經(jīng)達(dá)到了其承載的極限狀態(tài)，內(nèi)部裂紋由于相互之問的連接、貫通，最終發(fā)展為宏觀裂紋，進(jìn)而使得巖樣整體失去了承載能力。
為了進(jìn)一步顯示出溫度對花崗巖三軸試驗力學(xué)強(qiáng)度的影響，本文繪制出固定圍壓條件下的溫度與三軸抗壓強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變及彈性模量等參數(shù)的關(guān)系圖。圖4～6分別為圍壓為定值時，花崗巖在加溫冷卻后的三軸抗壓強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變及彈性模量與溫度之問的關(guān)系。由圖4～6可以得出，當(dāng)圍壓為定值時，花崗巖試樣的三軸抗壓強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變及彈性模量結(jié)果具有較大的離散性，但是從整體上仍呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。在常規(guī)三軸壓縮試驗中，經(jīng)歷不同加熱溫度后，花崗巖試樣的三軸抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量在溫度<200℃時，其值隨溫度的升高呈二次非線性增加，而當(dāng)溫度>200℃后，其值隨著溫度的升高呈二次非線性減小。這主要是由于圍壓一定的條件下，當(dāng)溫度<200℃時，隨著溫度的升高，巖石內(nèi)部的細(xì)小裂紋閉合，使得巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)相對增大，而當(dāng)溫度>200℃時，由于巖石內(nèi)部的自由水分不斷蒸發(fā)，試樣內(nèi)部的顆粒也不斷膨脹，同時由于巖石內(nèi)部成分的熱膨脹系數(shù)不同等因素的影響，從而使得試樣內(nèi)部的新裂紋不斷增多，舊裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而影響巖石的力學(xué)性能發(fā)生改變。因此，200℃則為花崗巖三軸強(qiáng)度的溫度閾值。通過擬合圍壓為10 M Pa時的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分別得出三軸抗壓強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變、彈性模量等3個力學(xué)參數(shù)與溫度的相互關(guān)系。
三、三軸壓縮試驗的宏觀破壞形式
在對于模擬實際鉆井過程中，鉆井液循環(huán)流動所帶來的井壁圍巖溫度的改變?nèi)跃哂幸欢ǖ木窒扌�。今后可以采用�?shù)值模擬等手段進(jìn)行相關(guān)的模擬，從而使得井壁穩(wěn)定性問題得到更好的解決。http://cdpoly.cn
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