巖石脆性研究現(xiàn)狀

1引言
　　巖石的脆性在巖石力學(xué)中是一個(gè)重要的指標(biāo)，主要指巖石受到微小的形變就會(huì)開始破壞，
　　其反映了荷載作用下巖石的變形以及破裂特性，在巖體工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及儲(chǔ)層油氣開采等領(lǐng)域中有重要意義。目前對(duì)巖石脆性的研究有了很豐富的成果，包括巖石脆性的定義、評(píng)價(jià)方法以及巖石脆性性質(zhì)在工程實(shí)際中的應(yīng)用等。本文對(duì)巖石脆性研究的一些現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，并提出一些自己的觀點(diǎn)。
　　2 巖石脆性的定義
　　對(duì)于巖石的脆性，在巖石力學(xué)并沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，很多領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)巖石的脆性進(jìn)行了不同的定義。巖石的脆性在很多領(lǐng)域都有重要的作用，但脆性如何應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中去，也是極其重要。脆性指數(shù)是描述巖石脆性的一個(gè)指標(biāo)，通過脆性指數(shù)，便可以將脆性應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中去，而脆性指數(shù)則需要脆性評(píng)價(jià)方法來求出，因此，適用的巖石脆性指數(shù)的評(píng)價(jià)方法，是研究巖石脆性的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的巖石脆性評(píng)價(jià)方法，但這些方法大多針對(duì)具體問題提出，適用于不同學(xué)科，尚未建立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[1]。目前，實(shí)驗(yàn)室對(duì)于巖石脆性的評(píng)價(jià)方法，主要有基于應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評(píng)價(jià)方法、基于強(qiáng)度的脆性評(píng)價(jià)方法以及基于硬度或堅(jiān)固性的脆性評(píng)價(jià)方法[2]。
　　3 巖石脆性評(píng)價(jià)方法
　　基于應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評(píng)價(jià)方法，主要是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一些性質(zhì)來評(píng)價(jià)巖石的脆性。A.W.Bishop提出了一種基于峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的脆性指數(shù)，認(rèn)為脆性指數(shù)等于峰值強(qiáng)度減去殘余強(qiáng)度在取峰值強(qiáng)度的比值。V.Hucka和B.Das認(rèn)為，脆性的每個(gè)概念都應(yīng)該是根據(jù)其實(shí)際用途單獨(dú)處理和使用，并提出了一種基于能量比的脆性。
　　基于強(qiáng)度的脆性評(píng)價(jià)，主要通過抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)脆性。V.Hucka和B.Das對(duì)各種脆性概念進(jìn)行了分析，研究了脆性物質(zhì)有關(guān)的各種現(xiàn)象，提出了基于抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)和。
　　基于硬度或堅(jiān)固性的脆性評(píng)價(jià)，主要是通過巖石的物理性質(zhì)來評(píng)價(jià)。H.Honda和Y.Sanada用宏觀硬度和微觀硬度之間的差異來。B.R.Lawn和.B.Marshall用硬度與斷裂韌性的比值來表示脆性指數(shù)。J.B.Quinn和G.D.Quinn認(rèn)為硬度與脆性是相互關(guān)聯(lián)的，硬度又受到樣品變形和斷裂過程的影響，于是提出一種由硬度、斷裂韌性、彈性模量構(gòu)成的脆性指數(shù)。M.M.Protodyakonov用小于0.60mm的碎屑百分比和抗壓強(qiáng)度的乘積來表示脆性指數(shù)。
　　3.4 其他脆性評(píng)價(jià)方法
　　除了上述常規(guī)的評(píng)價(jià)方法，一些較新穎的評(píng)價(jià)方法對(duì)巖石脆性評(píng)價(jià)也能較好的對(duì)巖石的脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。周雪晴、張占松等將石英與巖屑含量同長(zhǎng)石含量的比值作為成巖作用的分類指標(biāo)，將研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層分為Ⅰ類和Ⅱ類成巖作用儲(chǔ)層;最終提出基于礦物組分和成巖作用的致密砂巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)方法，并建立了相應(yīng)的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型[3]。陳昀、金衍等以巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ)，采用能量法來進(jìn)行儲(chǔ)層巖石脆性評(píng)價(jià).通過計(jì)算本征內(nèi)聚力與前端區(qū)穩(wěn)態(tài)阻力比值來表征儲(chǔ)層巖石的脆性指數(shù).并提出能量耗散相對(duì)越大，巖石的脆性指數(shù)越低[4]。
　　4 巖石脆性的應(yīng)用
　　4.1 巖石脆性破壞特征
　　脆性巖石的破壞有迅速、形變小、難以察覺等特點(diǎn)，因此，判斷巖石脆性破壞前的征兆，以及巖石脆性破壞前、破壞時(shí)的一些特點(diǎn)，對(duì)巖石脆性的研究和巖石脆性在工程實(shí)際中的應(yīng)用有非常重要作用。涂杰楠等分析認(rèn)為巖石破裂前視電阻率突變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與巖石體應(yīng)變膨脹點(diǎn)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且和巖石峰值應(yīng)力比值近似在75%左右[5]。陳竑然等人認(rèn)為Weibull分布形狀參數(shù)m，可作為衡量巖石脆性破壞程度的指標(biāo)[6]。孫強(qiáng)、薛曉輝等認(rèn)為，伴隨著變形與破裂的發(fā)展，巖石出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)激增，電磁輻射強(qiáng)度增加，紅外輻射加大等特征，對(duì)這些特征進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)的測(cè)試，可以獲得巖石脆性臨界破壞的相關(guān)信息[7]。由此可知，目前對(duì)巖石脆性破壞特征的研究并不多，研究切入點(diǎn)主要從能量、電阻率、聲波、輻射等方面，后續(xù)可以從這些方面進(jìn)行更加深入的研究或者尋找其他切入點(diǎn)進(jìn)行研究。
　　4.2 巖石脆性應(yīng)用實(shí)例
　　劉泉聲、劉建平等人分析了巖石脆性指標(biāo)對(duì)滾刀破巖效率的影響，通過滾刀貫入試驗(yàn)，引入歸一化比能概念，得出結(jié)論，隨著脆性的增高，歸一化比能降低，滾刀破巖效率增高[8]。馮濤、謝學(xué)斌等人提出，巖石是否發(fā)生脆性破壞，決定著是否發(fā)生巖爆，脆性系數(shù)能很好地描述巖石的脆性，并且隨著巖石脆性指數(shù)的增加，巖石發(fā)生巖爆的傾向也隨之增加[9]。郭旭光、牛志杰等人通過對(duì)巖石脆性的研究，利用疊前同步反演預(yù)測(cè)了吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油所在區(qū)“甜點(diǎn)體”脆性分布，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果部署的水平井體積壓裂后獲得高產(chǎn)[10]。
　　5 討論與結(jié)論
　　本文從脆性的定義、巖石的脆性評(píng)價(jià)方法、巖石脆性破壞的特征、巖石脆性的在工程中的應(yīng)用這幾個(gè)方面對(duì)巖石脆性這一個(gè)大方向的研究進(jìn)行了總結(jié)，以此對(duì)巖石脆性領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，最后有了這些認(rèn)識(shí)：
　　（1）對(duì)于巖石脆性的定義，我們不能片面說某個(gè)定義是正確或者錯(cuò)誤的，只是它們分析的角度不同而已。但是作為巖石的一個(gè)重要的性質(zhì)，一個(gè)能夠被廣泛接受的定義的提出是必要的，筆者認(rèn)為，要想制定一個(gè)廣泛認(rèn)同的脆性定義，需要綜合各領(lǐng)域?qū)τ诖嘈蕴匦缘墓餐帲瑥闹羞x出一個(gè)較合理的方向來定義脆性，這種定義或許可以讓廣大研究者比較認(rèn)同。 　?。?）對(duì)于巖石脆性的評(píng)價(jià)，筆者只收集了一些常見的評(píng)價(jià)方法，還有很多好的評(píng)價(jià)方法本文并未涵蓋。文中提到的評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一種能反映脆性破壞的整體特征，但是卻有一定的局限性;第二種在使用的領(lǐng)域適用性較好，但測(cè)量結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)差異;而對(duì)于礦物組成法，僅僅考慮了礦物組成，脆性指數(shù)也會(huì)有一定誤差，但在后面學(xué)者的改進(jìn)型中，加入了影響指數(shù)，使得結(jié)果精確度得到提高;最后一種基于能量的評(píng)價(jià)方法，是一種較新穎的方法，綜合了巖石的破壞的整個(gè)過程評(píng)價(jià)結(jié)果，在一般情況下能較好反映巖石的脆性。綜上，對(duì)于巖石的評(píng)價(jià)，雖然沒有一種通用、被廣泛認(rèn)同的方法，但是基于各個(gè)方面的各種評(píng)價(jià)方法，在各自的領(lǐng)域都已經(jīng)能夠較好的對(duì)巖石脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。后續(xù)的研究者也應(yīng)該繼續(xù)前進(jìn)讓巖石脆性的評(píng)價(jià)更規(guī)范、更可靠。
　?。?）巖石的脆性的應(yīng)用在致密油氣的開發(fā)，工程施工中巖爆的預(yù)測(cè)以及預(yù)防，還有地震的預(yù)測(cè)幾個(gè)方面應(yīng)用較多，在資源開發(fā)，工程安全等方面起到了巨大的作用。另外，在其他領(lǐng)域，巖石脆性也許也會(huì)發(fā)揮一定的作用。比如，在工程建設(shè)方面，巖石的脆性是否會(huì)影響到工程的耐久性;在溫差較大的地區(qū)，巖石脆性與工程建筑安全之間的關(guān)系;巖石的脆性與工程疲勞強(qiáng)度的關(guān)系等。雖然巖石的脆性在巖石力學(xué)的研究中并不太顯眼，但是并不能忽視其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。