多级循环荷载下砂岩能量损伤演化规律及其微观机制研究

针对枯竭油气藏储气系统中砂岩在周期性应力扰动下的损伤失效问题，研究人员通过5~40 MPa围压范围内的多级循环加载试验，结合实时声发射(AE)监测与核磁共振(NMR)技术，系统探究了围压、应力水平及循环次数对岩石能量演化与分布的影响，揭示了循环荷载过程中能量转化的微观机制。研究发现，高围压下岩石表现出韧塑性转变特征，应变能积累与耗散显著增强，且耗散能占比始终低于总输入能的30%。该研究为复杂应力条件下岩石工程稳定性评估提供了理论依据。

　　

研究背景
在深部地质工程建设中，爆破振动、开挖扰动及储气库注采作业等周期性应力波动，常导致岩体失稳并威胁工程安全。砂岩作为枯竭油气藏储气系统的关键工程材料，其循环荷载下的损伤演化机制尚不明确。现有研究多基于应力-应变关系分析岩石破坏，但传统力学理论难以全面表征能量驱动的损伤过程。尽管声发射(AE)和核磁共振(NMR)等技术已用于岩石损伤监测，但能量分布规律与微观机制的关联研究仍存在空白。

技术方法
四川双龙镇砂岩样本在5~40 MPa围压下进行多级多循环加载(MLMCL)试验，同步采用AE实时监测微裂纹活动，并通过NMR定量分析孔隙分布变化。通过计算输入能、耗散能与应变能，结合T₂谱与AE能量参数，建立能量演化与微观结构演变的关联模型。

研究结果

1. 滞回曲线特征
首轮循环中，小孔与部分中孔压缩主导能量耗散；后续循环则通过微裂纹扩展耗能。第20次循环的滞回环面积较首轮增大3倍，表明塑性损伤累积效应。

2. 孔隙分布表征
NMR显示：10 MPa围压下，随着应力水平提升，微孔(r < 0.1μm)占比下降12%，而宏孔(r > 1μm)增加8%，证实裂纹扩展导致孔隙合并。

3. 能量演化规律
高围压(40 MPa)下岩石应变能积累量达低围压(5 MPa)的2.3倍，但耗散能占比始终<30%。线性储能系数与围压呈负相关，独立于应力水平与循环次数。

4. AE能量关联
耗散能与AE能量呈线性关系(R²>0.9)，高AE计数对应更剧烈的能量释放，反映内部损伤加剧。

结论与意义
该研究首次系统阐明了围压对砂岩能量分配的关键调控作用：高围压促进韧塑性转变，提升岩石变形能力但加剧能量耗散。提出的AE能量损伤参数为工程岩体稳定性评估提供了量化指标。成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，对深部储气库设计及安全运营具有重要指导价值。