岩石动静态弹性参数差别的微观机理.pdfVIP

岩石动静态弹性参数差别的微观机理 1 2 1 葛洪魁 陈 颙 林英松 1 2 （石油大学石油工程系，山东东营 257061）（国家地震局，北京 100036） 摘要 根据岩石动静态弹性参数相互关系的观测结果及岩石力学与岩石物理学的相关理 论，对动静态弹性参数差别的微观机理进行了分析。得出，动静态参数的差别是由于岩石内 部存在微裂隙与孔隙流体，在不同应变幅值和频率的动静态载荷作用下，其微观变形特征不 同。在静态大应变下，沿颗粒边界或裂隙面的摩擦滑动使岩石表观模量减小，而声波引起的 应变很小，不足以引起这种滑动，另外，动态载荷下岩石处于 “不排水”状态，并因 “粒间 喷流”引起模量频散，使得岩石动态模量高于静态模量。 主题词：岩石弹性参数；动静态测试；微观机理；摩擦滑动；“不排水”；“粒间喷流” 0.引言 岩石弹性参数 （杨氏模量、泊松比等）是岩石工程设计与施工的基础数据，岩石弹性参 数的常用测定方法有两种：静态法和动态法。通过对岩样进行静态加载测其变形得到静态参 数，通过测定声波或超声波在岩样中的传播速度，计算得到动态参数。根据地下工程的载荷 特点，在实际工程中一般应采用静态参数。但是，动态参数获取方便、迅速、成本低。研究 岩石动静态弹性参数间的关系具有重要意义。 许多研究人员对岩石动静态弹性参数间的差别进行了试验研究（Evans[1], 1973; Haupt 等[2] ，1992 ；葛洪魁等[3] [4],1994, 1998 ），或将声波测井解释值与室内静态测试值对比分析 （Warpinski等[5]，1998 ），得出了一些经验关系式，在工程实践中获得应用。而机理研究方 面相对不足，大部分研究从宏观角度进行分析，如Gregory[6] （1962）认为，由于大部分声 能可以绕过裂隙、尤其是那些与传播方向平行的裂隙，因此，波速受微裂隙的影响比静态测 试小。Jizba等[7] （1990 ）认为岩石动静态的差别是由于动静态弹性参数对裂隙的敏感程度不 同。 岩石动静态弹性参数的差别是由岩石材料的结构特征所决定的，是由微观机制控制的， 欲准确把握岩石动静态弹性参数间的关系，需深入到岩石的微观尺度进行分析。 1 1．岩石动静态弹性参数差别的基本规律 Evans( 1973)在同一高压釜内对油饱和和盐水饱和的 Lueders 灰岩和 Pecos 砂岩的动静态 弹性参数进行了同步测试，得出，动静态杨氏模量随围压呈相同变化趋势，静态杨氏模量约 为其动态值的一半，岩石的动静态泊松比近似相等，应力对其影响不大。Warpinski(1998) 也得出室内测试得到的静态杨氏模量大约为声波测井计算值的一半，而动静态泊松比比较接 近。 我们在三轴应力下进行了水饱和砂岩 （葛洪魁等，1993 ）和室内干燥条件下的砂岩、泥 岩、灰岩、页岩、花岗岩、凝灰岩、蚀变岩、流纹岩等 （林英松和葛洪魁，1998）动静态同 步测试，得出，岩石动静态杨氏模量之间存在较好的相关关系，饱和砂岩静态与动态杨氏模 量比值约为 0.6，其他岩性比值大多在 0.6~0.8 之间。而动静态泊松比之间的关系不明显。 Biot 孔隙弹性系数也存在动静态的差别，静态值比动态值大，二者均与孔隙度有关，并随围 压的增大而减小，见图 1～3 。 0.5 140 y = 0.6252x - 2.7567 0.4 a 120 2 比 P R = 0.7707 G / 100