页岩气和致密砂岩气等非常规油气藏储层往往具有低孔、超低渗等特征^[1]，储层内流体由储层向井筒内流动时受到的阻力非常大^[2]，常规压裂工艺难以获得理想的工业油气流，目前，多采用体积压裂改造技术^[3-4]使储层内部形成复杂的缝网结构，才能获得工业产能。储层内部是否能形成复杂缝网结构，除取决于储层本身发育的天然裂缝外，还取决于储层是否易于改造^[5]；储层具有显著脆性特征是实现储层改造的物质基础^[6]；研究储层岩石的脆性对缝网压裂具有重要现实意义。

储层岩石往往是具有非均质性的脆性材料，石油行业多采用单轴压缩试验的方法^[7-9]对储层岩石的脆性进行测定和评价。在进行室内单轴加载试验时，试样受载荷作用会发生变形，这时，试样中原有的或新产生的微缺陷周围的应力会集中，从而使应变能增高；当试样上所加载荷达到一定程度时，试样内部原有微裂纹的尖端会重新起裂，使裂纹扩展或合并，此时，试样中所积蓄能量的一部分会以弹性波的形式释放出来，这类现象被称为声发射（Acoustic Emission）^[10-12]。

声发射是在岩石破坏过程中产生的一种伴生现象，因声发射中蕴含着岩石内部遭受损伤破坏的诸多信息，从而使其成为研究岩石力学特性及损伤演化规律的重要手段^[13]。关于岩石破坏过程中的声发射特征，国内外学者已经进行了大量的室内试验研究，并取得了许多研究成果。Ganne等^[14]利用声发射技术对峰前岩石的脆性破坏进行了研究，给出了岩石4个破坏过程所对应的累计声发射能量；Nicsiar等^[15]利用声发射技术探讨了确定岩石特征应力的方法；赵兴东等^[16]对不同岩石的声发射活动特性进行了试验，揭示出声发射活动与岩石自身属性具有直接相关性；万志军等^[17]对岩石在不同加载速率下的声发射特性开展了试验，并研究了加载速率和裂纹之间的量化关系；张茹等^[18]在单轴多级加载条件下，进行了花岗岩破坏全过程的声发射试验，得到了应力-应变、声发射参数与应力和时间之间的关系；蒋海昆等^[19]对不同围压下花岗岩变形破坏过程的声发射特征进行了研究，并依据所得试验结果分析了声发射的时序特征；文圣勇等^[20]和秦虎等^[21]分别采用单轴压缩试验研究不同含水率红砂岩和煤岩的声发射特征，得出含水率对岩石的力学特性和声发射特征具有较大影响。

综上所述，目前国内外针对岩石破裂声发射特征方面的研究，主要集中在岩石强度特征与声发射参数之间的关系方面，而关于岩石脆性与声发射参数之间的关系却少有报道。本次研究使用不同含砂比的水泥砂石来代表不同脆性的岩石进行单轴加载和声发射试验，以期揭示岩石受压变形特征、破裂特征和脆性特征等与声发射参数之间的关系，从而为岩石的脆性研究提供一种新的思路和方法，并为水力压裂选层和设计等奠定理论基础。

国内外学者对岩石脆性的定义及其表征方法的表述各不相同，缺乏统一认识。目前，普遍认可的脆性评价方法是矿物组分法和岩石力学参数法。关于矿物组分对岩石脆性的影响，Rickman等^[7]通过对Barnett页岩矿物组分进行XRD/LIBS分析，将页岩矿物组分划分为石英矿物、碳酸盐岩矿物和黏土矿物等3类，并指出随着石英矿物含量的增高，页岩的脆性指数增大。

Jarvie等^[22]对北美地区页岩储层矿物组分中脆性矿物的差异进行了研究，认为该地区的页岩储层属于海相沉积岩，页岩中石英含量高，对脆性影响大，其他脆性矿物含量较少，对脆性影响较小。在此基础上，Jarvie等^[22]提出了基于页岩脆性矿物含量的脆性指数计算公式

式中：V为各种矿物的体积分数，%；BRIT为岩石脆性指数。

李钜源^[23]分析了东营凹陷泥页岩的矿物组成，结果表明，东营凹陷沙四上亚段和东营凹陷沙三下亚段泥页岩中石英和碳酸盐岩的含量都比较高，碳酸盐岩对脆性的影响不可忽略。在此基础上，李钜源^[23]提出了新的基于矿物组分含量的脆性指数计算公式

陈吉等^[24]研究了我国南方古生界3套富有机质页岩的矿物组成，认为石英、长石、方解石、白云岩等都是脆性矿物。考虑到我国南方古生界页岩矿物的组成比较复杂，陈吉等^[24]提出了矿物组分更多的页岩脆性指数计算公式

以上3种脆性指数计算方法，虽然选取的脆性矿物种类不同，但算法类似，均表明岩石的脆性大小取决于脆性矿物含量的高低。基于此，本次研究采用不同含砂比的水泥砂石试样来表征脆性不同的岩石，从而进行单轴压缩试验并进行声发射信号检测，以期总结不同脆性岩石单轴压缩时的声发射特征。

采用自制的不同脆性的水泥砂石进行单轴压缩破坏全过程模拟试验，并在加载过程中利用声发射检测系统对声发射信号进行实时检测，以此研究岩石遭受破坏的全过程中不同脆性岩石的力学破坏特征以及声发射特征。

试验所用试样为自制水泥砂石，共设计4组（图 1）。试样的水灰比均为1.0:2.5，从试样1到试样4，含砂比依次为0，20%，30%和35%。制备试样水泥砂浆搅拌均匀，可认为所制试样内砂子均匀分布，排除了砂子分布不均对脆性的影响，最终制得试样如图 1所示。水泥砂石试样形状为立方体，单个试样长、宽、高均为50 mm。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 岩石试样 Fig. 1 Photos of rock samples

试验所需设备包括加载系统和声发射检测系统。

（1）加载系统

试验所用加载系统为WSM-200kN型号的微机控制岩石刚度试验机。此加载系统可以进行单轴加载、巴西劈裂等试验，最大试验载荷为200 kN。系统由计算机控制，可以根据需要选取不同的加载速率。工作时，系统自动读取载荷及位移数据并保存到计算机中。

（2）声发射检测系统

试验所用声发射检测仪器是美国物理声学公司生产的PCI-2声发射系统。该设备是多通道超声波采集处理系统，能够实时采集声发射事件，并记录事件波形，然后通过内置A/D转换卡转换成数字信号存进计算机硬盘。随机携带的后处理程序，可以计算出事件的位置和主要参数（发生时间、瞬间震级、能量、最大振幅等）并存入数据库，实现声发射实时检测和三维定位。其中，声发射传感器的频率为3 kHz到3 MHz。

试验所采用的加载方式为单轴压缩，加载速度为2 mm/min。为减小探头和试样之间的空隙对声发射系统检测信号精度的影响，两者之间涂有黄油。黄油作为耦合剂可以排净空气，使声发射系统检测到的信号达到最佳效果。与其他相关试验相比，本次试验预先规定了所用水泥砂石试样的脆性关系，并把试样的其他参数固定，如要求砂子均匀分布等，尽可能排除其他因素对试验结果的干扰。

声发射试验选用4个通道来检测声发射信号，并使用胶带将探头固定在试样上。为最大限度减小信号干扰，岩石试样上下2个面分别垫有橡胶片，并在橡胶片内侧涂有黄油。

由于水泥本身也具有脆性，所以本次试验计算脆性指数时不采用矿物组分法，而是采用周辉等^[25]所建立的脆性指数计算公式来评价试样的脆性大小

式中：B_d为脆性指数，取值0~1；B₁′为峰后应力下降幅度的相对大小，取值0~1；B₂′为峰后应力下降幅度的绝对速率，取值0~1；τ_p为峰值强度，MPa；τ_r为残余强度，MPa；k_ac（AC）是从屈服起始点（岩石开始发生塑性变形的位置点A或a）到残余起始点（岩石刚刚达到残余强度的位置点C或c）连线斜率的绝对值（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 三轴试验条件下应力-应变曲线示意图 Fig. 2 Sketch of stress-strain curves in triaxial test

利用式（4）计算得到试样1到试样4的脆性指数B_d分别为0.148，0.163，0.173和0.214，由此可知，试样脆性随着含砂量的增高而增大，这与脆性矿物组分法得出的结论一致，即“岩石的脆性大小取决于脆性矿物含量的高低”。

岩石试样的应力-应变曲线能够直接反映试样加载过程中的应力-应变特征。根据单轴加载试验结果，绘制了4种不同脆性岩石试样的应力-应变曲线（图 3）。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 试样应力-应变关系 Fig. 3 Stress-strain curves of rock samples

对比各试样的应力-应变曲线可以看出，随着试样脆性增强，应力-应变曲线发生了很大变化。峰值出现之前，各试样应力-应变曲线的形状基本相似：初始加载时，各试样均有一小段的孔隙压密阶段；之后发展到弹性变形阶段，此阶段各条曲线形状相似，区别仅在于曲线的斜率不同，且试样的脆性越强，应力-应变曲线的斜率越大，试样3此时的应力-应变曲线明显高于其他3条曲线，这可能是因为其内部的孔隙和裂隙比较少，试样较致密，从而导致压密阶段持续时间较短，提前进入到弹性变形阶段；从弹性变形到峰值之间的塑性变形（屈服）段在曲线上表现不明显。峰值出现之后，各条曲线均迅速跌落到底，此时试样发生宏观破裂，且脆性越强，峰后形变越大。

破裂后的试样如图 4所示。从图 4可以看出，随着脆性的增强，试样破裂后的非均质性表现得越来越明显。试样1为纯水泥石，不含砂，均质，破裂后的裂缝更多的是张性裂缝，整个试样破裂的较为均匀。试样2、试样3和试样4中因为含有不同量的砂子，破裂时更多的体现出了岩石的非均质性，虽然整个试样都会破裂，但局部破裂显得更为彻底；随着脆性的增强，试样局部破裂体现的更加明显，裂缝中的剪性破裂和混合破裂数量增多，张性破裂数量减少。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 试样最终破坏形式 Fig. 4 Ultimate failure form of samples

声发射特征参数能够体现岩石损伤渐进破坏的前兆信息^[26]。常用声发射参数有声发射计数（振铃计数）、能量、上升时间、脉冲持续时间、幅度分布、事件等^[27-29]，由于这些参数的变化规律大致相同，因此，本次试验仅采用声发射计数来表征试样的声发射特征。加载过程中所检测到的声发射事件当中，超过阈值电压（也称为门槛电压）的脉冲状信号称为振铃，振铃脉冲超过门槛值的次数为振铃计数，即声发射计数^[30]。声发射计数的处理方法在一定程度上能够反映声发射信号的幅度，且声发射计数与能量有关。采用声发射计数对声发射活动进行评价，既能反映符合要求的脉冲信号数，也能反映试样内部裂纹形成、扩展时所释放出的能量，计数值越大，说明试样的内部损伤越严重，声发射活动越活跃。根据声发射检测结果，可以得出不同脆性试样的压缩时间、声发射计数及应力之间的关系曲线（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 单轴压缩下声发射计数、应力与压缩时间关系 Fig. 5 Relationships of time with acoustic emission count and stress under uniaxial compression state

从图 5可以看出，从加载初期到试样完全破裂，整个加载过程均有声发射信号产生，并且声发射曲线能够和应力-应变曲线的各个变形阶段一一对应。分析声发射计数曲线（图 5）和应力-应变曲线（参见图 4），可以发现一些规律。

（1）声发射计数曲线和应力-应变曲线的相同点是声发射的活跃区域均集中在峰值应力前后的较小范围内，且试样脆性越强，声发射活跃时间越短；试样破裂前较小范围内，试样1和试样2的声发射活跃持续时间较试样3和试样4长。声发射信号的以上特征表明：试样脆性越强，破裂形式越趋向于突发式破裂；试样脆性越弱，破裂形式越趋向于渐进式破裂。

（2）加载初期，各试样均出现了短暂的压密阶段，此阶段无明显声发射信号产生，且声发射特征无规律可循；随着加载量的增大，逐渐进入弹性变形阶段，试样开始出现明显的声发射信号，且试样脆性越强，出现明显声发射信号的时间越早；之后，试样进入塑性变形阶段，此时，声发射计数的数值陡然增加，声发射活动活跃，与弹性变形阶段形成鲜明对比，且试样脆性越强，此阶段声发射活动的持续时间越短。

（3）曲线峰值处，声发射计数达到最大值，4种试样的声发射计数最大值从试样1到试样4依次为6 009，6 300，6 600和7 100。由此可知，声发射计数最大值与试样脆性呈正相关关系；峰后，试样发生破裂，破裂瞬间声发射活动最为活跃，且随着试样脆性增强，峰后声发射的异常活跃区域减小，这主要是因为试样脆性越强，峰后破裂瞬间释放的能量越多，持续的时间也就越短。

（1）脆性矿物含量越高，试样的脆性越强，计算得到的脆性指数越大。试样脆性不同，加载过程中的变形特征不同，峰前最大区别为弹性变形段的斜率不同，峰后则表现为形变量的大小不同。

（2）脆性不同，试样的破裂形式也不同。纯水泥石（均质）破裂较为均匀，裂缝均匀分布，破裂后形成的裂缝多为张性裂缝；含砂试样的破裂形式较多的体现出了试样的非均质性，裂缝分布杂乱，局部破裂更为彻底，体现出局部破裂特征，且随着试样脆性的增强，非均质性体现得更加明显，破裂后形成的裂缝多为剪性裂缝和混合裂缝。

（3）试样加载过程中均有声发射信号产生，脆性越强，产生明显声发射信号的时间越早，声发射信号活动异常活跃的持续时间越短；塑性变形阶段在声发射计数曲线上表现得更为明显，并可与弹性变形阶段区别开来；声发射计数最大值出现在峰值应力处，且计数最大值与试样脆性呈正相关关系，即脆性越强，计数最大值越大。