岩石脆性研究现状

    【摘 要】 岩石的脆性脆性是一种非常重要的性质，在岩体工程的稳定性、安全性评价以及储层油气开采等领域中有非常重要的意义。目前，对于岩石脆性的研究并不完善，脆性的定义尚无一种让大多数人认同的说法，岩石脆性评价也没有一种统一的方法。本文从岩石脆性的定义、岩石脆性评价方法、岩石脆性的应用三个方面对岩石的脆性研究现状进行了总结分析，并提出了一些自己的相关看法，期望对后续研究者的研究有所帮助。

    【关键词】 岩石脆性 评价方法 脆性指数

    1引言

    岩石的脆性在岩石力学中是一个重要的指标，主要指岩石受到微小的形变就会开始破坏，

    其反映了荷载作用下岩石的变形以及破裂特性，在岩体工程稳定性评价以及储层油气开采等领域中有重要意义。目前对岩石脆性的研究有了很丰富的成果，包括岩石脆性的定义、评价方法以及岩石脆性性质在工程实际中的应用等。本文对岩石脆性研究的一些现状进行分析总结，并提出一些自己的观点。

    2 岩石脆性的定义

    对于岩石的脆性，在岩石力学并没有一个标准的定义，很多领域的学者对岩石的脆性进行了不同的定义。岩石的脆性在很多领域都有重要的作用，但脆性如何应用到实际应用中去，也是极其重要。脆性指数是描述岩石脆性的一个指标，通过脆性指数，便可以将脆性应用到实际应用中去，而脆性指数则需要脆性评价方法来求出，因此，适用的岩石脆性指数的评价方法，是研究岩石脆性的基础。近年来，国内外学者提出了大量的岩石脆性评价方法，但这些方法大多针对具体问题提出，适用于不同学科，尚未建立标准测试方法[1]。目前，实验室对于岩石脆性的评价方法，主要有基于应力-应变的脆性评价方法、基于强度的脆性评价方法以及基于硬度或坚固性的脆性评价方法[2]。

    3 岩石脆性评价方法

    基于应力-应变的脆性评价方法，主要是根据应力-应变曲线的一些性质来评价岩石的脆性。A.W.Bishop提出了一种基于峰值强度和残余强度的脆性指数，认为脆性指数等于峰值强度减去残余强度在取峰值强度的比值。V.Hucka和B.Das认为，脆性的每个概念都应该是根据其实际用途单独处理和使用，并提出了一种基于能量比的脆性。

    基于强度的脆性评价，主要通过抗拉强度和抗压强度来评价脆性。V.Hucka和B.Das对各种脆性概念进行了分析，研究了脆性物质有关的各种现象，提出了基于抗压强度和抗拉强度的岩石脆性评价指标和。

    基于硬度或坚固性的脆性评价，主要是通过岩石的物理性质来评价。H.Honda和Y.Sanada用宏观硬度和微观硬度之间的差异来。B.R.Lawn和.B.Marshall用硬度与断裂韧性的比值来表示脆性指数。J.B.Quinn和G.D.Quinn认为硬度与脆性是相互关联的，硬度又受到样品变形和断裂过程的影响，于是提出一种由硬度、断裂韧性、弹性模量构成的脆性指数。M.M.Protodyakonov用小于0.60mm的碎屑百分比和抗压强度的乘积来表示脆性指数。

    3.4 其他脆性评价方法

    除了上述常规的评价方法，一些较新颖的评价方法对岩石脆性评价也能较好的对岩石的脆性进行评价。周雪晴、张占松等将石英与岩屑含量同长石含量的比值作为成岩作用的分类指标，将研究区致密砂岩储层分为Ⅰ类和Ⅱ类成岩作用储层;最终提出基于矿物组分和成岩作用的致密砂岩储层脆性评价方法，并建立了相应的脆性指数评价模型[3]。陈昀、金衍等以岩石应力应变关系为基础，采用能量法来进行储层岩石脆性评价.通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数.并提出能量耗散相对越大，岩石的脆性指数越低[4]。

    4 岩石脆性的应用

    4.1 岩石脆性破坏特征

    脆性岩石的破坏有迅速、形变小、难以察觉等特点，因此，判断岩石脆性破坏前的征兆，以及岩石脆性破坏前、破坏时的一些特点，对岩石脆性的研究和岩石脆性在工程实际中的应用有非常重要作用。涂杰楠等分析认为岩石破裂前视电阻率突变所对应的应力与岩石体应变膨胀点有对应关系，并且和岩石峰值应力比值近似在75%左右[5]。陈竑然等人认为Weibull分布形状参数m，可作为衡量岩石脆性破坏程度的指标[6]。孙强、薛晓辉等认为，伴随着变形与破裂的发展，岩石出现声发射信号激增，电磁辐射强度增加，红外辐射加大等特征，对这些特征进行相关物理参数的测试，可以获得岩石脆性临界破坏的相关信息[7]。由此可知，目前对岩石脆性破坏特征的研究并不多，研究切入点主要从能量、电阻率、声波、辐射等方面，后续可以从这些方面进行更加深入的研究或者寻找其他切入点进行研究。

    4.2 岩石脆性应用实例

    刘泉声、刘建平等人分析了岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响，通过滚刀贯入试验，引入归一化比能概念，得出結论，随着脆性的增高，归一化比能降低，滚刀破岩效率增高[8]。冯涛、谢学斌等人提出，岩石是否发生脆性破坏，决定着是否发生岩爆，脆性系数能很好地描述岩石的脆性，并且随着岩石脆性指数的增加，岩石发生岩爆的倾向也随之增加[9]。郭旭光、牛志杰等人通过对岩石脆性的研究，利用叠前同步反演预测了吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油所在区“甜点体”脆性分布，根据预测结果部署的水平井体积压裂后获得高产[10]。

    5 讨论与结论

    本文从脆性的定义、岩石的脆性评价方法、岩石脆性破坏的特征、岩石脆性的在工程中的应用这几个方面对岩石脆性这一个大方向的研究进行了总结，以此对岩石脆性领域的研究现状进行了分析，最后有了这些认识：

    （1）对于岩石脆性的定义，我们不能片面说某个定义是正确或者错误的，只是它们分析的角度不同而已。但是作为岩石的一个重要的性质，一个能够被广泛接受的定义的提出是必要的，笔者认为，要想制定一个广泛认同的脆性定义，需要综合各领域对于脆性特性的共同之处，从中选出一个较合理的方向来定义脆性，这种定义或许可以让广大研究者比较认同。

    （2）對于岩石脆性的评价，笔者只收集了一些常见的评价方法，还有很多好的评价方法本文并未涵盖。文中提到的评价方法各有优缺点，第一种能反映脆性破坏的整体特征，但是却有一定的局限性;第二种在使用的领域适用性较好，但测量结果可能会出现差异;而对于矿物组成法，仅仅考虑了矿物组成，脆性指数也会有一定误差，但在后面学者的改进型中，加入了影响指数，使得结果精确度得到提高;最后一种基于能量的评价方法，是一种较新颖的方法，综合了岩石的破坏的整个过程评价结果，在一般情况下能较好反映岩石的脆性。综上，对于岩石的评价，虽然没有一种通用、被广泛认同的方法，但是基于各个方面的各种评价方法，在各自的领域都已经能够较好的对岩石脆性进行评价。后续的研究者也应该继续前进让岩石脆性的评价更规范、更可靠。

    （3）岩石的脆性的应用在致密油气的开发，工程施工中岩爆的预测以及预防，还有地震的预测几个方面应用较多，在资源开发，工程安全等方面起到了巨大的作用。另外，在其他领域，岩石脆性也许也会发挥一定的作用。比如，在工程建设方面，岩石的脆性是否会影响到工程的耐久性;在温差较大的地区，岩石脆性与工程建筑安全之间的关系;岩石的脆性与工程疲劳强度的关系等。虽然岩石的脆性在岩石力学的研究中并不太显眼，但是并不能忽视其在工程实际中的应用。

    【参考文献】

    [1] 刁海燕.泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价[J].岩石学报，2013，29（9）：344-350.

    [2] 李庆辉，陈勉，金衍，等.页岩脆性的室内评价方法及改进[J].岩石力学与工程学报，2012，31（8）：1860-1865.

    [3] 周雪晴，张占松，张超谟，等.基于矿物组分和成岩作用的致密砂岩储层脆性评价方法——以鄂尔多斯盆地东北部某区块为例[J].油气地质与采收率，2017，24（5）：10-16.

    [4] 陈昀，金衍，陈勉.基于能量耗散的岩石脆性评价方法[J].力学学报，2015，47（6）：984-993.）

    [5] 涂杰楠，孙强，姜志海，等.岩石脆性临界破坏视电阻率变化与应力比[J].煤炭学报，2013，38（2）：221-225.

    [6] 陈竑然，秦四清，薛雷，等.岩石脆性破坏表征与Weibull分布适用范围[J].地球物理学进展，2017，32（5）：2200-2206.

    [7] 孙强，薛晓辉，朱术云.岩石脆性破坏临界信息综合识别[J].固体力学学报，2013，34（3）：311-319.

    [8] 刘泉声，刘建平，时凯，等.评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响[J].岩石力学与工程学报，2016，35（3）：498-510.

    [9] 冯涛，谢学斌，王文星，等.岩石脆性及描述岩爆倾向的脆性系数[J].矿冶工程，2000，20（4）：18-19.

    [10] 郭旭光，牛志杰，王振林，等.岩石脆性预测在吉木萨尔凹陷致密油勘探中的应用[J].地质与勘探，2015，51（3）：592-598.

    作者简介：曹诚，1993，男，四川省武胜县。在读研究生，港口、海岸近海工程。重庆交通大学，重庆市南岸区学府大道66号。