温度对岩石物理力学性能的影响

（1）温度对岩石热导率的影响

岩石传递分子热运动的性质称为岩石的导热性，用热导率κ表示，其物理意义是，单位厚度岩石沿热传导方向，两壁温差为1℃（或1K）时，单位时间内所流过的热量。根据傅立叶定律，计算公式为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）

式中：κ为岩石的热导率，W/（m·K）；Q为热量，J；D为岩样的厚度，m；F为截面积，m²；t为时间，s；T₁，T₂分别为岩样两壁的温度，K。

影响岩石热导率的因素有多种，除主要取决于岩石成分特点和结构特点如孔隙度、饱和度、饱和流体的性质等因素外，温度条件和压力条件都是影响岩石热导率的因素。岩石热导率与温度的关系比较复杂。

（2）温度对岩石比热的影响

单位质量的岩石温度每升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量，称之为该岩石的比热容，用公式表示如下：

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式中：c为岩石的比热，J/（g·K）；Q为热量，J；m为岩石的质量，g；ΔT为升（降）温度，K。

（3）温度对岩石导热性的影响

导热性是岩石由高温区向低温区传递热量的能力，反映了岩石加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力，是反映岩石热惯性的一个综合性参数。

岩石的导热性受到其构造的影响。例如在层状岩石中，沿层理方向的导热系数大于垂直层理方向的导热系数。而当岩石中有空隙时，因为空气的导热系数很小，所以干燥的空隙性岩石的导热系数总是小于非孔隙性岩石的导热系数。其次，结晶岩与非结晶岩矿物的导热系数明显不同，一般来说，前者导热系数大于后者的导热系数。

岩石的导热性不仅受到组成岩石矿物组成成分、矿物颗粒大小、岩石的结构、岩石内部包裹体的形状和含量，以及密度、湿度的影响，而且还与温度的变化有关。

一般来说，随着温度升高，岩石导热系数减小，在温度为293～473K（20～200℃）范围内，岩石导热系数随着温度升高而指数规律下降，其经验关系为：

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式中：λ₂₀为温度为20℃时岩石的导热系数，W/（m·K）；K₁为考虑岩石层理影响的系数，在平行层理方向时，取K₁=1，垂直层理方向时，取K₁=0.75～0.93；A与岩石类型有关的常数；T为温度，℃。

如果温度超过200℃，则岩石的导热系数随着温度上升按线性规律下降，两者的经验关系表示为：

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式中：λ₂₀₀为温度200℃时岩石的导热系数，W/（m·K）；T为温度，℃；b^′为与岩石类型有关的系数。

若温度低于0℃时，随温度下降，岩石的导热系数增大。导热系数与温度变化的关系，可用如下的经验公式表示：

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式中：λ₀为温度0℃时岩石的导热系数，W/（m·K）；b^″为与岩石类型有关的系数，它是表示温度降低1℃，岩石导热系数增大程度的特征系数。

矿物与岩石的导热系数随温度升高而降低的基本原因，在于高温时，矿物晶格及颗粒间胶结物中缺陷增加，同时由于结构热应力作用在矿物颗粒边界上产生微裂隙，从而导致岩石导热性下降。

（4）岩石热膨胀

岩石的线热膨胀或体积热膨胀是岩石的一个重要热物理性能特征。岩石热膨胀性能表征它将吸收的热能转化为做功的能力。

岩石线膨胀系数是指岩石试件温度升高1℃时在长度方向引起的应变量，这一性能指标值影响岩石的热变形和热应力。设若将岩石看作是均质、各向同性固体，均质岩石一维长杆长度为L，当温度变化量为dT时，杆长的增量为dL，它们之间的关系可以表示为：

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式中：α为岩石线热膨胀系数，K^-1。

对上式两边积分，得

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如果在T₁到T₂的变化范围内，线热膨胀系数α不变，为一常数，则上式可变换为：

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因为函数e^x按级数形式展开，为

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经变换，并略去高阶无穷小量，取前2项，可得

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实际上岩石是多种矿物成分的非均质体，其体膨胀系数受多种因素的影响。

首先，当岩石受热温度改变时，其膨胀系数随之发生相应的变化。

当温度不高于80～100℃条件下，岩石的体膨胀取决于组成该岩石的矿物的热膨胀，受热不发生相变或水解等许多矿物，其体膨胀系数α与温度的变化关系具线性的特点，可以表示为：

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式中：b′为一般矿物的温度系数，b′≈1.25×10^-3K^-1；α0为T值为0℃时矿物的线热膨胀系数。

在这种情况下，岩石线热膨胀系数随温度的变化也呈线性变化趋势。

当温度升至150～200℃至580～600℃时，岩石热膨胀现象最为明显，各种岩石的热膨胀系数都随温度升高而增大；一直到超过600℃以后，温度继续上升，线膨胀系数则出现下降趋势。

以含石英的岩石来说明，在温度达到573℃时，石英由β晶形向α晶形变化，使得膨胀系数下降。这种α值随T变化的趋势，从图2.1可以看到。

图2.1 细粒石英岩线热膨胀系数随温度的变化

（5）温度对岩石强度的影响

由于岩石本身是一种十分复杂的多矿物成分结合体，还由于其内部往往存在各种构造，构成了岩石的各向异性和非均质性。因此，从理论上一般性的论证岩石强度与加热温度变化的关系是困难的。

根据一般试验结果，可以认为岩石强度随温度的变化规律存在两大类型，一类是岩石强度随温度升高而逐渐下降。有许多岩石，如石灰岩、大理岩、白云岩、磷灰岩等，受热温度升高，随之发生化学分解、熔解等现象，从而导致它们强度下降。

第二种类型是岩石受热温度升高，在初始阶段，岩石强度随温度升高而提高。到达一定高的温度之后，继续提高温度，岩石强度即行下降。具有这种温度-强度变化特征的岩石，主要有石英岩、含铁石英岩、砂岩、花岗岩等坚硬或较坚硬的岩石。对于这类岩石，一般来说，在受热温度不超过200～300℃时，它们的强度将随温度升高而提高。当到达最大强度时，其值可较常温条件下的强度高20%左右。

在一定范围内温度升高，岩石强度增强，可以认为是矿物颗粒受热，产生热膨胀，虽然这时伴随热应力的产生，但其值并未超过岩石的强度极限，没有引发破坏和微裂隙的形成。而热膨胀的结果，有助于岩石密度的提高，因而促进岩石强度的增大。如果加热温度过高，超过了200～300℃之后，一般说来，此时岩石中结构热应力将明显增强，直至超过岩石强度极限，出现微裂隙。岩石微结构的损伤，必然导致岩石强度的下降。

在常压下，随着温度升高，岩石很少会发生脆性—延性转变。考虑到地下岩石都是处在一定的压力条件下，所以，关于常压下岩石强度与温度关系的研究显得相对次要了。

当压强增大时，岩石强度与温度的关系呈现明显的相关性。例如，在小于1GPa的围压下，可以发现：随着温度的升高，大多数岩石，包括火成岩、变质岩和部分沉积岩等都会出现脆性—延性转变，从而导致岩石强度下降。现以花岗岩为例，可以发现，在较高温度下，岩石存在围压情况下，岩石较为容易发生脆性—延性转变。

Wong T F总结了8种岩石强度与温度的关系，如图2.2所示。从图中可以看出，岩石的强度随着温度的升高而有所下降，而下降的趋势与岩石的种类有密切关系。

图2.2 不同岩石及矿物的应力-温度曲线

之所以会出现岩石强度随温度升高而下降，其主要原因是：在较高温度下，岩石在存在围压的情况下容易发生脆性—延性转变。

（6）温度对岩石摩擦特性的影响

钻进过程中，钻头在轴压和转速的作用下破碎岩石，同时，钻头本身也受岩石的研磨而变钝。岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。岩石研磨性与钻头寿命、生产效益、钻探成本直接相关，所以这一指标是选择钻头、设计钻头、确定钻进规程参数和制定生产定额的依据之一。

大多数岩石在500℃温度以下的摩擦特性几乎不受温度的影响。岩石摩擦性质几乎与温度无关，这是一个非常突出的特点，但当温度超过500℃以后，大多数的火成岩和变质岩摩擦系数都将随温度的升高而下降。