孔隙结构特征对岩石力学性能的影响

摘要：岩石属于一种多孔介质，通过内部流体流通，运输岩石中的物质，岩石的渗透率关系到流体流过孔隙的难易性，因此在描述孔隙岩石运输性质的过程中需要综合渗透率。本文分析了孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响，利用数值模型试验方法，构建孔隙圆盘模型，因为岩石力学性能具有较多的影响因素，本文主要是针对孔隙结构特征的影响。

关键词：孔隙结构特征；岩石；力学性能；影响分析

岩石是一种天然的多孔材料，内部存在各种不规则的孔隙，这些孔隙直接影响到岩石的力学性能和化学性质等，例如关系到岩石的嵌固端和渗透性以及颗粒吸附力等，影响到采矿和水利工程等实际施工。当前一些研究揭示了孔隙结构和压实力学性能的关系，但是因为孔隙结构非常复杂，并且呈现无序分布状态，再加上理论研究和试验方法的限制，人们还无法明确岩石内部孔隙分布的特征，也无法明确孔隙结构特征对于岩石力学性能的关系。人们更多的关注孔隙岩石的表观物理和力学的变化，无法确定岩石孔隙连通性和渗透系数等方面。为了解决孔隙岩石的问题，可以建立岩石孔隙结构的三维数值模型，利用定量分析确定孔隙结构特征和岩石力学性能的关系。本文构建孔隙岩石三维模型，利用数值模型试验方式，构建不同孔隙结构分布特征的孔隙圆盘模型，确定孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响。岩石力学性能的影响因素比较多，技术人员需要综合考虑问题的复杂性，优化岩石力学性能，为其他工程建设奠定基础。

1岩石微观孔隙结构量化表征

1.1CT扫描试验

岩石孔隙结构非常复杂，尺寸处于微米级别，具有低渗和低孔的作用，对于岩石试样采取CT扫描试验，可以进一步确定岩石微观孔隙的结构。在实际工组中需要利用微米CT扫描仪，保障仪器分辨率在2.5μm以上，视角范围达到达到2.5mm×2.5mm。【1】

1.2孔隙结构量化表征

在CT扫描试验当中，需要去除无效图像，获取有效性二维灰度图像，在图中黑色代表孔隙结构，中间色和白色高亮度区域属于岩石矿物组分。为了准确回去孔隙结构信息，需要利用MTALAB软件数字图像处理灰度图，需要落实图像锐化，实现二值化分格，同时还要采取降噪处理。通过图像USM锐化，可以明显区分岩石中基质和孔隙边界，选择合理的阈值二值化分格图像，合理区分基质和孔隙。技术人员可以利用中值滤波算法降噪处理分格图像，使图像的质量不断提高。图像经过处理之后，可以将岩石孔隙结构信息准确的表达出来。本文主要分析孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响，因此在图像处理阶段需要根据基质考虑高密度岩石矿物，为了降低高密度矿物的影响，可以叠加200像素的图像，利用Mimics软件重构孔隙结构三维参数。自主编写MATLAB程序处理图像，统计岩石孔隙结构分布情况，确定孔隙直径和孔道直径分布情况，通过定量表征，将岩石样品孔隙机构的情况表现出来，定量统计分析岩石的孔隙结构。根据岩石三维孔隙结构可以发现，岩石孔隙结构几何形态和分布情况非常复杂，需要利用分析盒维数定量分析岩石孔隙结构的复杂性，利用面积等大的正方体覆盖孔隙结构，统计正方体数量，利用D表示分形盒维数。利用D的大小反应出岩石孔隙的复杂性，D比较大，代表孔隙结构非常复杂。孔隙结构分形盒维数通常处于2.5以上，说明岩石孔隙几何形态和分布情况普遍比较复杂。

2概述孔隙岩石的三维统计模型

本文的研究对象为砂岩，利用CT扫描方式确定孔隙结构的信息，通过分析处理CT图像，明确孔隙结构的孔隙位置和间距以及粒径等参数，构建分布概率密度函数表达式，结合岩石孔隙统计分布规律，利用随机数算法和FLAC3D程序，构建岩石三维孔隙结构模型。【2】在利用FLAC3D程序，利用NULL模型命令和FISH语言，根据指定位置和间距不断循环执行挖空单元的命令，形成三维孔隙模型，确定孔隙率和孔径分布以及孔隙空间位置等数据。下图是孔隙岩石三维网络模型，根据相同孔径分布和孔隙空间位置分布条件，提出4种不同孔隙率的三维网络模型。从左到右的孔隙率氛围是3%、7%、15%、23%。

3孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响

天然岩石的多相介质非常复杂，在自然沉淀的作用下，岩石的物理力学性质和孔隙几何构型以及分布特征等方面具有较大的差异性。在固体相物理力学性质不变的情况下，孔隙结构变化和孔隙数量、形状、分布等因素具有紧密的联系，某个因素发生变化，都会改变岩石宏观力学行为，增加了孔隙结构变化和作用机制研究的难度。本文保持模型固体相力学性质不变，每次分别改变孔隙孔径和孔隙间距以及空间位置，明确孔隙结构对于岩石应力分布和抗拉强度的影响。【3】

3.1孔隙率对圆盘模型力学性能的影响

研究孔隙率的影响，要保持孔径分布和空间位置的一致性，重构孔隙率圆盘模型，分别选择孔隙率，通过改变孔隙率确定孔隙数量是否会影响到圆盘模型破坏状态和应力分布以及抗拉强度等。根据不同高孔隙率圆盘破坏的峰值，分别选取峰值荷载计算结果，采样控制的参数选择荷载比，保障模型破坏程度的相同性，分析不同高孔隙率带来的影响。结合计算结果，确定孔隙率会直接影响到圆盘劈裂破坏方式。如果孔隙率处于3%~7%范围内，在加载过程中，在两端分别加载1或2条的主裂纹，不断增加荷载之后，两端主裂纹开始扩张于圆盘中间。当圆盘发生破裂的时候，在圆盘中心会和两端的主裂纹，最终形成平行于加载方向的裂纹，并且贯穿整个圆盘，这属于拉伸破坏。如果孔隙率处于15%~23%范围内，在加载过程中，在两端和中间部位出现了很多的细小的裂纹，不断增加荷载之后，不会因此汇合两端裂纹和圆盘中心裂纹，两端裂纹主要是向孔隙秘籍的区域蔓延，同时也在不断扩张圆盘中间的裂纹。当圆盘遭到破坏的时候，最终汇合、连通众多的裂纹，在整个圆盘中贯穿，形成众多的破坏裂纹，但是不会出现主裂纹，这种破坏方式主要是拉伸破坏和剪切破坏。【4】

3.2孔隙率对圆盘模型抗拉强度影响

研究孔隙率的影响，需要保持孔径分布和空间位置两个函数不变，不断增加孔隙率，也会随之降低圆盘的抗拉强度，针对无孔圆盘，圆盘孔隙率为0%，计算圆盘抗拉强度为1.17MPa，这与选用材料的极限抗拉强度具有紧密的联系，吻合于理论结果。如果孔隙率为3%，通过计算确定抗拉强度为1.10MPa。如果孔隙率为7%，计算抗拉强度为0.94MPa。当孔隙率为15%，通过计算确定抗拉强度为0.71MPa，如果孔隙率达到23%，计算抗拉强度为00.55MPa。结合所有的结算结果，孔隙率在7%以上，增加了孔隙率之后，可以显著的降低抗拉强度。根据不同孔隙率模型，构建抗拉强度变化曲线。不同高孔隙率圆盘抗拉强度曲线呈现出递减的趋势。为了将孔隙率和抗压强度的关系准确的描述出来，技术人员还需要综合额考虑孔隙分布特征参数，适当的修正参数取值。

3.3孔径分布的影响

研究孔径分布的影响，需要保障孔隙率和孔隙空间位置保持不变，通过改变孔径分布，明确空间分布情况对于压实力学的影响。岩石孔径分布满足指数分布：g（r）=Aexp（r/B）+C。在式中A、B、C都属于控制参数，r是孔隙半径。为了降低研究的难度，构建不同空间分布参数的模型，保持孔隙率和孔隙空间位置不变，不断减少控制参数值，孔隙数目因此减少，甚至消失，从而出现了更多的小孔隙。【5】如果孔隙率为23%，改变了孔径分布情况，将会直接影响到圆盘破坏行为，在加载初期在两端出现很多裂纹，这些细小的分布在空隙密集的区域，并且没有显著的主裂纹，不断降低孔隙控制参数之后，会逐渐突出这种现场。不断增加荷载之后，峰值荷载达到50%~70%范围内，细小裂纹开始向圆盘中心延伸，在圆盘中心开始出现细小的裂纹。减小孔径控制参数，会逐渐增多细小裂纹的数量，圆盘破坏的时候，两端裂纹不但延伸到圆盘内部，最终汇合所有的细小裂纹，最终在整个圆盘中贯穿，形成岩石破坏状态。因此改变孔径分布会直接影响到圆盘模型劈裂破坏，不断减小孔径控制参数，将会逐渐消失某些大孔，进而出现了孔径均一的小孔，不断增加裂纹数量，在圆盘内部不断增加裂纹的数量，在相同的加载阶段中，不断减小孔径控制参数，将会增加破会区域，裂纹分布情况变得更加分散。【6】

3.4孔隙空间位置的影响

利用CT试验，确定孔隙数在空间分布上属于均匀分布状态，因为岩石孔隙具有随机分布的特征，控制孔隙率和孔径分布情况不变，利用随机数生成程序运算，确定孔隙空间位置分布规律，明确孔隙空间位置分布是否会影响到孔隙岩石劈裂破坏行为。结合计算结果，当孔隙率和孔径分布特征不变，改变了孔隙位置，主要是影响到裂纹位置，改变孔隙位置之后，并不会影响到圆盘破裂方式和裂纹数量，通过加载到圆盘破坏，开始在表面发生破裂，最终延伸向圆盘中心和内部，从表面像内部逐渐发横破裂方式。孔隙率处于3%~7%范围内，在研判的纵剖面中产生对称性破坏，产生两条主裂纹，这种破坏行为是拉伸破坏。如果孔隙率处于15%~23%范围内，主要是在孔隙密集的地方聚集破坏裂纹，同时会产生很多的裂纹，同时不会产生明显的主裂纹，在破坏过程中主要是发挥剪切破坏和拉伸破坏的作用。【7】

4孔隙结构特征对岩石力学性能影响结论

孔隙率直接影响到孔隙圆盘模型的应力分布情况和抗拉强度，如果孔隙率比较低，圆盘模型会形成破坏状态，这时会形成一条主裂纹，裂纹平行于加载方向，形态近似于直线，并且贯通整个圆盘，这个阶段主要是拉伸破坏的作用。不断增大孔隙率之后，孔隙圆盘模型达到破坏状态，在这个时期会产生很多的裂纹，但是不会形成主裂纹，这个时期主要是拉伸破坏和剪切破坏的作用。不断孔隙率之后，逐渐递减圆盘模型抗拉强度指数，可以利用函数描述出圆盘模型抗拉强度指数递减规律。孔径分布也会影响到圆盘模型破坏状态，不断减小空净控制参数，将会逐渐消失某些大孔，由均一孔径的小孔代替逐渐消失的大孔，不断增加破坏裂纹的数量，在同一个加载阶段，不断减小孔径控制参数，因此拓展了破坏区域，裂纹分布情况也变得更加分散。改变孔径分布控制参数，将会影响到圆盘模型抗拉强度，不断增加孔隙率之后，将会逐渐降低这种影响。【8】保持孔隙率和孔径分布的一致性，通过改变孔隙空间位置也会影响到圆盘破坏，主要是影响到裂纹产生位置，圆盘破坏方式和裂纹数量不会因此受到影响。孔隙空间位置是随机变化的，不会显著影响到孔隙介质的抗拉强度。

5结束语

本文分析了孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响，主要是分析孔隙率和孔径分布以及空间位置分布对于岩石力学性能的影响，为石油、地质、水利工程施工问题解决奠定坚实的基础。

参考文献

[1]朱琳,晋强,胡荻.基于低场核磁共振技术分析钢渣-水泥复合材料孔隙结构特征[J].粉煤灰综合利用,2020,34(04):71-76.

[2]候瑞.构造煤孔隙结构特征及其对瓦斯赋存影响规律分析[J].煤炭科技,2020,41(04):31-34.

[3]陆国青,杨少春,张逸帆,王亚,赵永福.马海东地区下干柴沟组下段砂岩储层孔隙结构特征及控制因素[J/OL].大庆石油地质与开发:1-10[2020-09-18].

[4]邓恩德,姜秉仁,高为,付炜.黔西地区龙潭组煤系泥页岩孔隙结构及分形特征研究[J].煤炭科学技术,2020,48(08):184-190.

[5]王羽,汪丽华,王建强,王彦飞.利用微米X射线显微镜研究陆相延长组页岩孔隙结构特征[J].岩矿测试,2020,39(04):566-577.

[6]刘树根,叶玥豪,冉波,姜磊,李智武,李金玺,宋金民,焦堃,李泽奇,李煜伟.差异保存条件下页岩孔隙结构特征演化及其意义[J/OL].油气藏评价与开发:1-19[2020-09-18].

[7]颜丙乾,任奋华,蔡美峰,郭奇峰,乔趁.THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述[J/OL].工程科学学报:1-13[2020-09-18].

[8]范宇,王佳珺,刘厚彬,吴鹏程,高德伟,王旭东.复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究[J].特种油气藏,2020,27(04):143-148.

作者：毛华晋 单位：山西大同大学