1、收稿日期：；修回日期：基金项目：湖北省自然科学基金项目（）作者简介：杨 振（），男，湖北潜江人，硕士研究生，主要从事岩石损伤力学方面的研究。：通信作者：亓宪寅（），男，山东泰安人，讲师，博士，主要从事岩土工程方面的研究工作。：，（）：，基于声发射和 特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究杨 振，亓宪寅，冯梦瑶，王胜伟，付 鹏（长江大学 城市建设学院，湖北 荆州）摘 要：为研究层状复合岩石的力学损伤特性，以深部致密储层砂岩及泥岩为研究对象，通过相似材料模型试验制备层状复合类岩石，开展单轴压缩试验并辅以声发射系统及数字图像修正（）系统全过程监测，得到层状复合岩石的强度及弹性模量等物理力学参数。研
2、究声发射振铃计数与岩石损伤演化过程对应规律，将单轴压缩下层状复合岩石损伤过程划分为初始损伤、损伤稳定发展及损伤加速三个阶段。以声发射内部损伤演化特征及 表面损伤演化特性为基础，建立了基于双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。结果表明：类岩石中，类岩石的强度及弹性模量分别高于 类岩石 和，类层状复合岩石的强度及弹性模量则低于 类岩石 和。类岩石以拉伸破坏为主，类岩石多呈单斜面剪切破坏，类复合岩石主要沿胶结层理面或强度较弱部分产生拉伸剪切滑移型破坏。三类岩石加载初期声发射活动较弱，在峰值应力时信号值达到最大。文中提出的模型合理地揭示了单轴压缩下层状复合岩石内部结构发展与外部裂纹萌发、扩展与贯通
3、的损伤演化机理。关键词：层状复合岩石；相似材料；声发射；数字图像修正（）；单轴压缩；力学损伤特性；损伤本构模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（）（）：，（）（），；（），第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ，：；（）；研究背景油气开采领域正面临“高应力、高温、低渗”三大难题，其中蕴含高储量页岩气、致密油等非常规油气的深部复合储层在高应力环境下其力学损伤特性对钻井、井壁维护、水力压裂等油气开采的关键技术环节均有重要影响。本文以吉木萨尔盆地致密储层复合岩石为研究对象，应用相似材料模型试验制备层状复合岩石并开展单轴压缩试验，揭示层状复
4、合岩石的力学特性及损伤演化机理对油气的抽采增产有重要实际意义。在复合岩石的试验研究、理论分析等方面，国内外专家学者已进行了富有成效的研究。由于深部复合地层下岩样难以获取，以相似材料为基础的人造岩样被广泛应用。申艳军等进行了类砂岩的相似材料配合比研究；等应用相似材料研究了泥岩力学特性及敏感度；刘晓云等应用类岩石相似材料研究了不同强度组合下复合岩石的力学性能。在试验研究方面，如周志威等结合声发射系统对盐岩开展单轴试验并建立了其损伤演化方程；等利用声发射及数字图像修正（，）系统对砂岩压裂过程中的能量耗散及裂纹表征进行了研究；陈永峰等则应用 系统研究了节理岩桥的变形特性及裂隙扩展规律；张皓应用 系统对
5、岩石损伤局部化过程进行了研究，并基于 表观应变分析法建立了损伤演化方程。在理论研究方面，刘立等研究了层状复合岩石的损伤演化与应变关系，分析了层状岩石的损伤规律、破坏特征及其稳定性；等基于横观各向同性体的两种不同破坏模式提出了一种新的横观破坏准则；赵东雷等通过损伤劣化修正方法推导出层状岩体各向异性损伤本构模型。相比已有研究，本文通过相似理论制备层状复合岩石，在单轴压缩下辅以 及声发射系统全过程监测。基于声发射信号表征岩石内部损伤演化，及 表征岩石表面损伤演化，建立了单轴压缩下双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。类岩石试样制备 相似材料选取本次研究以吉木萨尔盆地致密复合储层中的灰质砂岩及相邻
6、层泥岩为原岩进行模拟试验。层状复合岩石以两种不同物理力学性质的类岩石相似材料胶结成形，考虑到复合地层岩石致密高强，在前人的研究基础上，以白色 普通硅酸盐水泥为胶结剂，采用石英砂为骨料，因原岩中灰质砂岩较泥岩密度大、强度高，其中类砂岩添加硅粉和减水剂增强其强度以区分其物理力学性质及颜色。为便于后续试验中分类编号，类砂岩称为 类岩石，相似材料质量配比为，水泥 石英砂 硅粉 水 减水剂 ；类泥岩称为 类岩石，相似材料配比为 水泥 石英砂 水 ，复合岩石称为 型类岩石。根据相似理论，使原型与模型的几何形状、边界及应力条件、物理力学等参数相似，其物理力学特性则可相似。依据量纲分析法，在不考虑围岩自重的条
7、件下，原岩与类岩石的主要相似关系如式（）所示。；。|（）式中、分别为对应岩石应力、重度、几何尺寸、泊松比、内摩擦角、弹性模量的相似系数。根据实验方案选取重度相似系数 ，几何相似系数为 ，原岩及类岩石物理力学参数见表。表 原岩及相似岩样主要物理力学参数 岩石类型单轴抗压强度 弹性模量泊松比密度（）砂岩类砂岩泥岩类泥岩 长江科学院院报 年 层状复合岩石试样制备试验过程中，为制取层状复合岩石，根据工程岩体试验方法标准（），采用如图（）中 长方体模具，定制 规格钢片，在模具中部插入以分隔进行浇筑，拆模后移入养护室养护 ，利用如图（）所示的取芯方式钻取标准岩石试样。c5 0 m m5 0 m m取样方向
8、5 0 m m(a)(b)图 模具制作和层状复合岩石取样 试验设备及方案 试验设备本试验采用的设备如图 所示。加载系统为 型岩石三轴试验系统，最大轴向载荷，轴向加压方式为位移加载，速度为 。型声发射系统，包括计算机、数据采集器、通道传感器及前置增益器，设置门限触发值为 ，前置增益，采样频率为。系统主要由计算机、三脚架、云台、横梁、相机、光源等部分组成，采用双相机监测，分辨率为 ，帧率，镜头焦距，像元大小。如图 所示，单独应用声发射监测时，在岩石上下两端的“前后左右”分别布置一个声发射（）传感器，共 个；联合 监测时，则留出正前方散斑面，共布置 个 传感器，传感器及应变片采用万能胶粘贴于散斑边界
9、处。试验方案本试验所制备相似试样如图 所示，具体参数及编号见表。试验结果分析 力学特性分析层状复合岩石在压力机单轴压缩下的应力应变曲线如图 所示，其平均峰值强度及弹性模量如加载系统伺服系统控制系统控制系统数据采集器前置放大器云台、三脚架光源、镜头及横梁计算机控制系统(a)(b)(c)D I C图 试验设备 (a)(b)图 传感器布置 图 层状复合岩石试样 图 所示。、及 三类岩石的平均峰值强度分别为、，弹性模量分别为、。其中 类岩石的强度及弹性模量分别高于 类岩石 和；类层状复合岩石的强度及弹性模量则分别低于 类岩石 和，这是由于层状复合岩石有二次破坏现象产生，表现为图（）中 类岩石应力应变曲
10、线应力下降现象，试样先于强度较低部分或层理面附近开始破坏，后扩展到强度较高部分，呈顺序破坏特征。、及 三类岩石平均压密段应变分别为、，这表明 类岩石内部较为密实，类岩石内部微裂隙分布较多，而 类岩石由于存在层理面导致其压密段稍长。第 期杨 振 等 基于声发射和 特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究表 试件参数及编号 试件长度半径质量密度（）试验类型应用声发射系统监测应用 系统监测，其中复合岩石结合声发射监测0.40.81.21.62.0051 01 52 02 53 03 54 04 5S-5-AS-6-A5 A-15 A-25 A-30.51.01.52.02.5051 01 52 02
11、 53 03 54 0S-7-BS-8-B5 B-15 B-25 B-3051 01 52 02 53 03 54 0S-1-A BS-2-A BS-3-A BS-4-A B5 A B-15 A B-25 A B-30.40.81.21.62.0(a)A-(b)B-(c)A B-图 岩石应力应变曲线 ABA B3 03 33 63 94 24 5 峰值应力平均值 弹性模量平均值岩样类型3.03.54.04.55.05.56.0弹性模量E/G P a图 类岩石平均峰值强度及弹性模量 基于声发射的复合岩石内部损伤演化分析图 为岩石声发射振铃计数和应力随时间变化的关系曲线。可以看出声发射振铃计数在不
12、同应力阶段体现出相应的信号频度。类岩石受压达到峰值强度后破坏剧烈且伴随巨大爆裂声，应变能急剧释放，其声发射振铃计数达到个，岩石内部声发射信号活跃，远高于其他两类岩石，类岩石声发射振铃计数为个，比 类岩石高，三类岩石声发射信号规律与强度及弹性模量规律相似。图 声发射振铃计数和应力时间变化曲线 以 为例，如图（）所示，基于声发射振铃计数与应力发展特征，将岩石轴压过程中的损伤演化分为 个阶段：（）初始损伤阶段，此阶段主要为岩石的原生微裂隙与层理压密闭合，声发射振铃信号微弱，应力曲线呈上凹型。长江科学院院报 年（）损伤稳定发展阶段，在 时，该阶段应力曲线呈近似直线，岩石呈弹性变形，内部萌发少量新生裂隙
13、并缓慢发育，声发射时域信号较压密阶段开始活跃但仍不剧烈。（）损伤加速阶段，内，该阶段岩石内部的新生裂隙快速扩张并交汇贯通，声发射信号值增长迅速，岩石整体呈塑性破坏，在 时应力达到峰值强度后，其声发射振铃信号对应达到最大值，应力迅速跌落，声发射振铃信号值对应降低。同时，图（）中应力曲线显示，类岩石随轴压加载在 时产生应力下降并伴随声发射振铃计数的突变，岩石存在二次破坏现象，表明此时 类岩石内部层理面微裂隙开始发育、扩张并趋于失效，此为层状复合岩石破坏的声发射典型特征。单轴试验过程中，虽因损伤加速阶段声发射传感器随岩屑脱落，声发射振铃信号偶有迟滞现象，但整体上能够较好地描述岩石内部初始损伤及损伤稳
14、定发展阶段的演化特征。基于 的复合岩石表面损伤演化特征 表面应变云图分析对单轴试验下、及 类复合岩石表面变形进行实时监测，得到试样表面主应变云图。三类岩石主要破坏模式的主应变云图及实时破坏状态图，如图 所示，对应峰值强度的、及残余强度时的主应变云图及破坏形态。如图（）所示，轴向应力从加载到 峰值强度时，试样表面变形均匀，无明显局部应变；在 对应 峰值强度时，试样表面中部右侧萌发张拉裂纹，且裂纹处应变迅速增大为，并沿轴向产生应变局部化带，进入塑性变形阶段；时达到峰值强度后，裂纹扩展为中部较宽，端部较细的宏观张拉裂纹，应变最大值为，应变局部化带运移至试样右下端部，散斑脱落；至残余强度时，应力集中现
15、象明显且应变局部化带运移至右下角，在端部产生破坏。如图（）所示，在 的峰值强度时对应岩石压密阶段，其主应变增幅较缓，观察区内无裂纹产生，平均应变为；随轴压增长，在 达到的峰值强度时，因复合岩石层理面粘结正应力与主应力、端部效应的耦合作用，试样沿层理面产生非整体性的剪切滑移裂纹，主应变云图显示两条水平层状的局部大变形，应变增长至。在 时进入峰后阶段，由于岩石组成成分、内部结构及非均质性等因素，试样左部形成最终的张拉裂纹与应变局部化带，复合岩石出现明显的张图 岩石试样主应变云图 拉剪切滑移裂纹；在 残余强度时，岩石的破坏仍在发生，此时岩石承载力尚未完全丧失，其内部应力重新分布，宏观的张拉裂纹贯穿试
16、样整体，滑移裂纹的局部化带已不明显。如图（）所示，在 对应 峰值强度时，由于端部效应，较大变形聚集于试样底部，应变达到，大于上部应变，整体呈现层状的均匀变形；进入峰值强度的，试样沿斜截面产生明显的剪切贯通区，应变为，未被贯通的区域应变均匀且偏小，试样整体受压后主应变云图呈上下层状分布；时进入峰后稳定阶段，裂纹贯穿为由左至右底部的斜截面剪切带，所产生的斜剪裂纹具有一定宽度，亦反映出压剪破坏的演化特征。图 为三类岩石的典型破坏模式，限于篇幅，仅列出部分岩石的形态，、等 类层状复合岩石多呈沿整体剪切与沿层理面滑移的剪切滑移复合型破坏，且伴随张拉裂纹产生；等 类岩石脆性较强，一般产生贯穿整体的张拉破坏，其宏观张裂纹沿轴向平行，部分试样下端部呈压碎状；、等 类岩石多产生单斜面剪切破坏，压剪破坏特征明显，岩屑崩落较多，三类岩石的破坏特征亦验证了 监测岩石表面变形的准确性。第 期杨 振 等 基于声发射和 特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究5 A B-2S-2-A BS-3-A B5 A-25 B-3S-7-B图 三类岩石典型破坏模式 表面应变点演化特征图 为应变片与 所采集的应变时间演化信息。
