温度对深部岩石力学性质的影响

曹 峰

（西南石油大学，成都 610500）

温度对深部岩石力学性质的影响

曹 峰

（西南石油大学，成都 610500）

处于地温环境中的深部岩石，其力学特性与地表岩石有极大差异。温度对岩石力学性质的影响机理包括：矿物颗粒热膨胀；含水性及比例；岩石孔隙结构；矿物结构及成分。随温度增加，岩石变形特征从脆性向塑性变化，峰值强度降低，弹性模量降低，压密阶段应变变长，线弹性阶段的应变降低，峰后阶段的应变增加，抗压强度降低，弹性模量降低。

温度；力学性质；应力应变；抗压强度；弹性模量

随着石油勘探开发向地层更深处发展，有必要了解深部地层岩石力学性质，以便为工程研究和施工提供依据。而地层岩石总是处在一定的地温环境中，与地表岩石有很大不同。将常温下岩石的力学性质当作地层岩石的力学性质，会给工程带来极大的偏差，因此有必要研究温度对岩石力学性质的影响规律。目前，国内外对此已做了大量研究［1-13］，本文总结并归纳了国内外温度对岩石力学性质的影响。

1 温度对岩石力学性质影响机理

长期地质作用使得成岩矿物种类、颗粒排列方式、孔隙结构类型和胶结物特性变得十分复杂，所以成岩岩石是非均值、各向异性的矿物集合体。温度加载改变了岩石物理、力学性质。这些作用包括：

（1）矿物颗粒热膨胀。受温度作用，由于成岩矿物之间的热膨胀系数存在一定差异，加之，矿物颗粒之间的相互约束，导致热膨胀系数高的矿物受到压缩，而热膨胀系数低的矿物受到拉伸，其综合结果是在岩石内部形成热应力。由于热应力的存在，使得作用在岩石矿物颗粒的有效应力增加，导致岩石强度降低。赵洪宝［6］通过实验证实高温作用下石灰岩将发生热膨胀，热膨胀量与试验时间的关系曲线可分为4个阶段，热膨胀量的大小与温度有关且为非线性关联。

（2）含水性及比例。受沉积环境和成岩后生作用影响，通常岩石中存在吸附水、层间水和结晶水。温度的改变，导致岩石中含水性质和含水比例会发生变化。低温作用时，温度增加，使得吸附水和层间水蒸发，岩石发生硬化，刚度变大，导致岩石的弹性模量有升高趋势［7］；继续升温，达到一定的温度，晶格中的结晶水脱出，微裂纹端部水发生聚集和水解作用以及其他物理、化学反应，这些因素使得微裂缝迅速扩展［8］，导致岩石强度降低。

（3）岩石孔隙结构。温度对岩石孔隙结构的影响比较复杂。温度升高使得非均值的岩石颗粒差异膨胀变形，可能导致新的微裂缝出现，或扩大原来空隙，也有可能导致原裂缝的闭合，这主要取决于岩石性质；温度升高，导致岩石内部可能出现热开裂，造成不可逆的热损伤［11］。

（4）矿物结构及成分。当温度高于阈值温度后，组成矿物出现相变，改变了矿物的结构，岩石介质活化和塑性成分增加，从而促进岩石由脆性向延性转化［8］。通常该阈值温度较高，大于工程领域研究的温度，所以在研究工程问题时，可以忽略。

2 应力-应变曲线变化规律

温度加载作用下，岩石应力-应变曲线大致经历四个阶段：压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段。随温度增加，岩石变形特征从脆性向塑性变化，峰值强度降低，弹性模量降低，压密阶段应变变长，线弹性阶段的应变减小，峰后阶段的应变增加，从脆性破坏向拉剪破坏过度。

张志镇［10］研究花岗岩力学特性的温度效应发现：常温下，岩石非弹性变形过程相对较短，当应力达到峰值时，岩样迅速破裂，呈脆性破坏；温度升高，弹性段的斜率降低，表明弹性模量随着温度的升高而降低；温度超过某临界温度以后，峰值强度明显降低，对应的轴向应变呈现出增大的趋势，主要是因为岩样的脆性减弱而延性增强。从热-力学的角度，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强，质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故塑性增强而强度降低。

孟召平［11］通过实验研究砂岩力学特性随温度的变化关系即全应力-应变曲线，在峰值前的斜率随着温度的增加而明显变缓，破坏荷载降低，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低；同时，随着温度的增加，岩石破坏后其残余强度值相对也降低。

朱合华［12］研究熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩在温度加载作用下变形特征：高温后三种岩石的峰值应力、弹性模量均有不同幅度的降低，且经历的温度越高，降低的幅度越大。对于峰值应变，熔结凝灰岩、花岗岩的峰值应变随温度的升高而大幅度的增加；但对于流纹状凝灰角砾岩，峰值应变随着温度的升高在降低。

3 抗压强度变化规律

岩石抗压强度受温度影响显著，温度增加，岩石抗压强度降低，呈线性递减关系。也有实验表明［7］，在低温范围，温度增加，由于吸附水和层间水被蒸发，岩石强度增强，温度对岩石强度性质的影响主要取决于温度的作用范围和岩石性质。

张志镇［10］分析了不同温度作用下，花岗岩强度变化规律。花岗岩单轴抗压强度具有较大的离散性，这是由于岩石自身的结构差异所致。高温作用下，强度呈逐渐降低的趋势，在800℃时峰值强度由常温时的191.90 MPa降低至62.17 MPa，降幅达到67.6%。高温作用下岩样的力学性能劣化呈连续变化。

孟召平［11］研究得出：单轴抗压强度随温度的增加，呈线性递减关系。其线性递减比例系数与岩石的成岩作用有关。成岩作用强的岩石，其孔隙度小，岩石导热性好，导致岩石单轴抗压强度随温度的增加降低较快，反之，较缓。

4 弹性模量变化规律

岩石弹性模量受温度影响显著，温度增加，岩石弹性模量降低，呈线性递减关系。

林睦曾［13］研究了岩石的杨氏模量随温度升高而变化的情况，安山岩、花岗岩、石英粗面岩等的杨氏模量在300℃以下随温度升高而急剧减小，但超过300℃后，杨氏模量几乎保持恒定；而凝灰岩和陶石等随温度的升高，弹性模量变化不大。

孟召平［11］研究指出，砂岩弹性模量随温度的增加，呈线性递减关系。其线性递减比例系数与岩石的成岩作用有关。成岩作用强的岩石，其孔隙度小，岩石导热性好，导致岩石弹性模量随温度的增加降低较快，反之，较缓。

左建平［7］分析了砂岩受热导致热损伤，并将热损伤分为四个阶段：不稳定热损伤阶段、初始热损伤阶段、稳定热损伤阶段和快速热损伤阶段。分析认为，砂岩不稳定热损伤阶段，砂岩黏土物质还有水分，而自由水逐渐被加热。升温使得自由水溶解能力增强，溶解的矿物间黏结物和黏土等增多，使砂岩逐渐软化。因此，升温使得砂岩的弹性模量有所降低。在初始热损伤阶段，温度继续升高超过水的沸点，部分自由水被蒸发，冷却后的砂岩重新硬化，刚度变大，这种机制会导致砂岩的弹性模量有升高趋势。但在稳定热损伤阶段，砂岩开始产生热开裂，热开裂的出现导致砂岩刚度变小。在水分蒸发和砂岩的热开裂两种耦合下，砂岩弹性模量有所波动，但总体有升高趋势。在快速热损伤阶段，随着温度的升高砂岩的热开裂增多，并且温度越大，热开裂数目越多，且热开裂的长度和宽度都变大，此时热开裂占主导地位，从而使得砂岩弹性模量迅速降低。

张志镇［10］指出花岗岩弹性模量的分布具有一定的离散性，但总体上随着温度升高而降低。实时高温作用下花岗岩力学性质衰减得较快，弹性模量由常温时的38.37GPa降低至 7.22GPa，降幅达81.2%。高温作用下岩样的力学性能劣化呈连续变化。

5 结 论

（1）温度对岩石力学性质影响显著，涉及深部地层的工程问题，应考虑温度对岩石力学性质的影响。

（2）温度对岩石力学性质的影响机理，主要包括矿物颗粒热膨胀性、含水性及比例、岩石孔隙结构和矿物结构及成分。

（3）从应力应变曲线上看，随温度增加，岩石变形特征从脆性向塑性变化，峰值强度降低，弹性模量降低，压密阶段应变变长，线弹性阶段的应变降低，峰后阶段的应变增加，从脆性破坏向拉剪破坏过度。

（4）温度增加，岩石的强度和弹性均会降低。

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[13]林睦曾.岩石热物理学及其工程应用[M].重庆：重庆大学出版社,1991.

Review of Temperature Impact of Mechanical Properties of Deep Rock

CAO Feng
（Southwest Petroleum University,Chengdu 610500）

Deep rocks in the geothermal environment have great differences with surface rocks.This paper summarizes the mechanism of the temperature on the mechanical properties of rock,such as mineral particles in thermal expansion,water content,pore structure,mineral structure and composition.In general,with temperature increasing,rock deformation characteristics change from brittle to plastic,peak strength becomes lower,the strain in compaction phase increases,the strain of the linear elastic stage decreases,the strain of the post-peak phase increases,the compressive strength becomes lower,and the elastic modulus decreases.

temperature；mechanical properties；stress and strain；compressive strength；elastic modulus

TU457

A

1673-1980(2012)05-0083-03

2012-04-17

中国石油科技创新基金项目（2009D50060302）；四川省科技计划项目（09ZQ026-084）

曹峰（1986-），男，四川内江人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为岩石力学。