汪 虎 郭印同 張 萍 王 磊 侯振坤

WANG Hu①② GUO Yintong① ZHANG Ping③ WANG Lei① HOU Zhenkun③

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四川盆地焦石壩區(qū)塊深部頁(yè)巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

汪 虎①②郭印同①?gòu)?萍③王 磊①侯振坤③

為深入研究不同埋深頁(yè)巖儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組平行層理取心試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，總結(jié)了取樣區(qū)段頁(yè)巖試樣的力學(xué)特性、強(qiáng)度規(guī)律以及破壞特征。實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果表明：該區(qū)塊頁(yè)巖呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征，破壞形式以劈裂破壞為主、伴隨部分或局部剪切破壞，并細(xì)分5種單軸壓縮條件下的基本破壞形式； 頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度隨埋深增加整體上呈現(xiàn)出兩端低中間高的現(xiàn)象； 隨取心角度的增大，變形參數(shù)和抗壓強(qiáng)度總體上均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)； 對(duì)比分析了頁(yè)巖試樣力學(xué)參數(shù)的橫向和縱向異性度，彈性模量和泊松比的橫向及縱向異性度均在1.50附近，抗壓強(qiáng)度的異性度顯著高于彈性模量和泊松比的異性度； 層理的影響是導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度及破壞方式差異性的主要原因之一，層理面在一定程度可以決定巖體的強(qiáng)度及破壞方式； 水力壓裂過(guò)程中，橫向異性度大的層理面首先被打開(kāi)，導(dǎo)致壓裂通道沿層理面擴(kuò)展，難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)不到理想的壓裂效果，在施工過(guò)程中要避免此類層理面被打開(kāi)。

深部頁(yè)巖 層理 力學(xué)性質(zhì) 不同埋深 破壞方式

WANG Hu①②GUO Yintong①ZHANG Ping③WANG Lei①HOU Zhenkun③

0 引 言

近年來(lái)，隨著地下勘探技術(shù)不斷提高，儲(chǔ)藏于地下巖層中的頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源的開(kāi)發(fā)逐漸進(jìn)入人們的視野。頁(yè)巖氣是一種蘊(yùn)藏于頁(yè)巖層可供開(kāi)采的天然氣資源，未來(lái)可廣泛應(yīng)用的新能源(張金川等， 2004)。據(jù)了解，美國(guó)頁(yè)巖氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，對(duì)提高國(guó)家能源安全、降低能源對(duì)外依存度和緩解天然氣供應(yīng)不足等方面均起到積極作用。

我國(guó)的頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量居世界首位，而相關(guān)勘探開(kāi)發(fā)和開(kāi)采仍處于試點(diǎn)階段，為加快頁(yè)巖氣的開(kāi)采步伐，迫切需要開(kāi)展頁(yè)巖儲(chǔ)層相關(guān)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。頁(yè)巖在沉積過(guò)程中受晶體顆粒定向排列作用，呈現(xiàn)顯著的層理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(Vernik et al.，1992; Johnston et al.，1995)，因地質(zhì)改造處于復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境中，埋深和溫度因素等作用，使得其表現(xiàn)出差異性特征(Vanorio et al.，2008; 肖正輝等， 2012)。研究表明，頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)、聲波信號(hào)和巖電參數(shù)等均存在不同程度的各向異性(Walter Konhaeuser.，2006； Wang et al.，2012)。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)特性、強(qiáng)度特征和破裂模式等進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究。Jaeger et al.(1960)， Taliercio et al.(1988)， Ramamurthy et al.(1993)， Tien et al.(2001)， Nasseri et al.(2003)對(duì)層狀巖體彈性參數(shù)的各向異性進(jìn)行研究，建立了橫觀各向同性巖體的破壞準(zhǔn)則。.Lo et al.(1986)研究了不同圍壓下Chicopee 頁(yè)巖彈性各向異性，得到頁(yè)巖內(nèi)部礦物顆粒排列是導(dǎo)致其各向異性原因。Niandou et al.(1997)將頁(yè)巖體破裂模式分為剪切破壞和張拉破壞。Kuila et al.(2011)研究了復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下頁(yè)巖各向異性特征，認(rèn)為頁(yè)巖本身具有很高的固有各向異性特征。衡帥等(2015)對(duì)彭水地區(qū)頁(yè)巖進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為頁(yè)巖破裂模式的各向異性與層理傾角和圍壓的大小密切相關(guān)。徐敬賓等(2013)研究認(rèn)為頁(yè)巖縱波速度、彈性模量和泊松比等隨層理角度不同存在顯著的各向異性，不同層理角度頁(yè)巖單軸壓縮下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的脆性巖石破壞特征。陳天宇等(2014)對(duì)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖進(jìn)行電鏡掃描，獲得了頁(yè)巖基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖具有明顯的層狀沉積特征和層狀薄片礦物結(jié)構(gòu)特征。

就目前已公開(kāi)發(fā)表有關(guān)頁(yè)巖力學(xué)特性的研究分析(李慶輝等， 2012; 徐敬賓等， 2013； 陳天宇等， 2014； 衡帥等， 2015)，多是考慮層理角度引起的各向異性，對(duì)于不同深度及平行層理頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)及各向異性的研究尚不多見(jiàn)。本文基于頁(yè)巖試樣的單軸壓縮試驗(yàn)，研究了頁(yè)巖在埋深(縱向)和平行層理(橫向)的力學(xué)特性、強(qiáng)度規(guī)律和破壞特征，并分析產(chǎn)生差異性的原因。

圖1 頁(yè)巖平行層理取心示意圖

1 試樣制備過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用巖心取自四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組焦頁(yè)巖井。頁(yè)巖儲(chǔ)層如圖1 所示，運(yùn)用古地磁定位標(biāo)記最大水平地應(yīng)力方向?yàn)閄軸正方向，最小水平地應(yīng)力方向?yàn)閅軸正方向，XOY平行于層理面。標(biāo)記不同儲(chǔ)層試樣方位時(shí)，保持X軸正方向一致。定義取心方向與X軸正方向的夾角為取心角β， β角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 取0°、45°、90°和135°方向上的試樣。

頁(yè)巖試樣取心加工標(biāo)準(zhǔn)：直徑25mm、高度50mm的小圓柱體。對(duì)加工好的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲波檢測(cè)，挑選探測(cè)結(jié)果無(wú)異常、完整性良好、表面無(wú)明顯裂隙及缺陷的試樣。保證不同儲(chǔ)層不同方向頁(yè)巖試樣至少3塊，試樣加工過(guò)程如圖2 所示。

圖2 頁(yè)巖試樣加工過(guò)程

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方案

單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)產(chǎn)MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程采用軸向位移控制，加載速率為0.12mm·min-1?？傮w設(shè)置儲(chǔ)層埋深和取心方向角β兩組實(shí)驗(yàn)變量。

表1 頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Table1 Experimental results of shale specimens under uniaxial compression

試樣編號(hào)取心角β/(°)峰值強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比試樣編號(hào)取心角β/(°)峰值強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比6#儲(chǔ)層046.819.920.2408#儲(chǔ)層072.918.190.2024527.424.070.3094586.222.240.2499045.623.250.2909090.122.150.21913563.922.670.27713565.820.180.2097#儲(chǔ)層082.121.200.1949#儲(chǔ)層042.117.080.2314597.925.290.2314541.121.850.2809096.524.850.2199048.021.720.25513564.623.140.21013535.719.870.241

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中6#、7#、8#和9#頁(yè)巖試樣取自同一焦頁(yè)巖井不同埋深儲(chǔ)層，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料顯示6#儲(chǔ)層埋深2312.5～2319.5m， 7#儲(chǔ)層埋深2360.5～2379.5m， 8#儲(chǔ)層埋深2409.5～2419.5m， 9#儲(chǔ)層埋深2485.5～2496.5m。每組試樣單軸壓縮試驗(yàn)至少3次，試驗(yàn)后計(jì)算相關(guān)變形和強(qiáng)度參數(shù)，并計(jì)算其平均值如表1所示。由表1可知：

(1)相同埋深頁(yè)巖的不同取心方向峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比存在差異。

(2)不同埋深相同取心方向的頁(yè)巖峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比也不同。

2.1 頁(yè)巖的彈性模量和泊松比

圖3為該區(qū)段頁(yè)巖泊松比的變化情況。相同儲(chǔ)層相同方向試樣泊松比并非定值，說(shuō)明頁(yè)巖參數(shù)自身具有不確定性。故本文中所有力學(xué)參數(shù)均取平均后進(jìn)行分析。

據(jù)圖3知泊松比在各儲(chǔ)層內(nèi)均隨取心角β的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。取心角β為45°方向上泊松比最大，取心角β為0°方向上泊松比最小。

同時(shí)，據(jù)表1和圖3 知：相同方向的取心角β角， 6#儲(chǔ)層頁(yè)巖試樣的泊松比最大， 9#儲(chǔ)層頁(yè)巖試樣泊松比次之， 7#儲(chǔ)層頁(yè)巖試樣的泊松比最小。

結(jié)果說(shuō)明頁(yè)巖的泊松比不僅在平行層理不同方位上有差異，且在不同儲(chǔ)層埋深也有明顯區(qū)別。

圖3 頁(yè)巖試樣的泊松比

圖4 頁(yè)巖試樣的彈性模量

圖4為頁(yè)巖彈性模量變化情況，據(jù)圖4知相同埋深儲(chǔ)層，彈性模量隨取心角β的增大，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。其中， 45°方向上的彈性模量最大， 0°方向上彈性模量最小。

相同取心方向上頁(yè)巖的彈性模量隨埋深的增加有減小的趨勢(shì)。7#儲(chǔ)層試樣彈性模量在各個(gè)方向上最大， 6#儲(chǔ)層試樣彈性模量在各個(gè)方向上最小。

泊松比是巖石中石英黏土含量比的指標(biāo)，石英黏土含量比越高，泊松比越低，其脆性指數(shù)越高(姚軍等， 2013)。7#儲(chǔ)層單軸壓縮過(guò)程中的時(shí)間-應(yīng)力曲線達(dá)到峰值后跌落至試樣整體破壞所用的平均時(shí)間最少，該儲(chǔ)層脆性相對(duì)較高。泊松比的的差異在一定程度上體現(xiàn)了頁(yè)巖在不同埋深、不同方位的組分差異，可通過(guò)巖石礦物分析對(duì)比驗(yàn)證。

彈性模量和泊松比的波動(dòng)變化是層理間微裂隙瓦解的結(jié)果(劉斌等， 2002)。彈性模量和泊松比的變化在一定程度上體現(xiàn)出層理不同方位黏結(jié)力相對(duì)大小，不同方位試樣黏結(jié)力的不同，造成頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的差異。

2.2 頁(yè)巖的壓縮強(qiáng)度

圖5為頁(yè)巖單軸壓縮時(shí)抗壓強(qiáng)度的變化情況。據(jù)圖5知相同埋深的儲(chǔ)層內(nèi)，頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度無(wú)固定變化趨勢(shì)。6#和9#儲(chǔ)層試樣隨取心角β的增大，抗壓強(qiáng)度先減小后增大，在取心角135°方向的抗壓強(qiáng)度最大； 7#和8#儲(chǔ)層試樣的抗壓強(qiáng)度則表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，與彈性模量在層理內(nèi)的變化情況表現(xiàn)出相似的規(guī)律。

圖5 頁(yè)巖試樣的抗壓強(qiáng)度

相同方向頁(yè)巖試樣單軸壓縮抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明， 7#和8#儲(chǔ)層試樣抗壓強(qiáng)度在相同方向均大于6#和9#儲(chǔ)層試樣。說(shuō)明該區(qū)段頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度隨埋深不同有兩端低、中間高的現(xiàn)象，導(dǎo)致該結(jié)果的原因除巖體自身的不連續(xù)性外，中部?jī)?chǔ)層巖體受擠壓及構(gòu)造應(yīng)力等因素影響，其層理間黏結(jié)作用力更強(qiáng)。

2.3 力學(xué)參數(shù)的差異性

為定量描述頁(yè)巖儲(chǔ)層在不同埋深和平行層理內(nèi)力學(xué)參數(shù)的差異性大小，定義相關(guān)參數(shù)的橫向異性度及縱向異性度。

彈性模量在相同儲(chǔ)層內(nèi)的橫向異性度RE1和不同埋深下的縱向異性度RE2分別為

(1)

(2)

式中，E0°和E45°分別為相同儲(chǔ)層內(nèi)取心角為0°和45°方向上頁(yè)巖的彈性模量； E7#和E9#分別為7#和9#試樣的彈性模量。

同理定義泊松比和抗壓強(qiáng)度的橫向異性度Ru1和RC1，深度方向的縱向異性度Ru2和RC2：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，μHmax和μHmin分別為相同儲(chǔ)層頁(yè)巖泊松比的最大值和最小值； μVmax和μVmin為不同埋深頁(yè)巖泊松比的最大值和最小值； CHmax和CHmin分別為相同儲(chǔ)層頁(yè)巖泊松比的最大值和最小值； CVmax和CVmin為不同埋深頁(yè)巖泊松比的最大值和最小值。

分別計(jì)算各力學(xué)參數(shù)的橫向異性度和縱向異性度。橫向異性度的計(jì)算結(jié)果如表2所示，縱向異性度的計(jì)算結(jié)果如表3所示； 圖6 所示頁(yè)巖橫向異性度的離散分布情況，圖7 所示頁(yè)巖縱向異性度的離散分布情況。

表2 頁(yè)巖的橫向異性度

Table2 Transverse diversity factor of mechanical parameters

試樣編號(hào)6#儲(chǔ)層7#儲(chǔ)層8#儲(chǔ)層9#儲(chǔ)層彈性模量RE11.211.191.221.27泊松比Ru11.281.191.231.21抗壓強(qiáng)度RC11.521.131.161.52

表3 頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)縱向異性度

Table3 Longitudinal diversity factor of mechanical parameters

取心角β/(°)04590135彈性模量RE21.241.161.141.16泊松比Ru21.241.341.331.32抗壓強(qiáng)度RC21.952.632.191.55

據(jù)表2和圖6 知，該區(qū)段頁(yè)巖的彈性模量和泊松比橫向異性度隨埋深不同存在微小差異。其中6#、7#和8#儲(chǔ)層試樣的彈性模量橫向異性度差異不大，均在1.20～1.30內(nèi)波動(dòng)； 7#儲(chǔ)層試樣橫向異性度最低，略低于1.20； 9#儲(chǔ)層試樣橫向異性度最大。泊松比的橫向異性度大小與彈性模量接近， 6#和7#儲(chǔ)層試樣泊松比的橫向異性度略低于8#和9#儲(chǔ)層試樣。4組不同儲(chǔ)層中， 8#儲(chǔ)層試樣泊松比橫向異性度最高； 彈性模量和泊松比的橫向異性度不超過(guò)1.30，說(shuō)明該區(qū)段頁(yè)巖橫向面內(nèi)的變形參數(shù)波動(dòng)幅度不大。

該區(qū)段頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的橫向異性度隨埋深的增加表現(xiàn)出兩端大(6#、9#儲(chǔ)層試樣)、中間小(7#和8#儲(chǔ)層試樣)的V型變化規(guī)律。抗壓強(qiáng)度橫向異性度的極值和波動(dòng)幅度均大于相同深度下的彈性模量和泊松比，說(shuō)明埋深對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響大，不同埋深的頁(yè)巖層理和基質(zhì)體之間的膠結(jié)作用力差異明顯。

據(jù)表3知，該井段頁(yè)巖彈性模量和泊松比的縱向異性度在不同方位表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。不同方位彈性模量和泊松比的縱向異性度大小在1.16～1.34波動(dòng)。正交方位上的縱向異性度變化也不相同： 0°和90°方向上彈性模量和泊松比的縱向異性度差異明顯， 45°和135°方向上彈性模量和泊松比的縱向異性度大小相近。

據(jù)圖6、圖7知，頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的橫向及縱向異性度的極大值均明顯大于彈性模量和泊松比。頁(yè)巖的彈性模量和泊松比的橫向及縱向異性度均小于1.50，抗壓強(qiáng)度的橫向異性度在6#儲(chǔ)層取得最大值，抗壓強(qiáng)度的縱向異性度在取心角45°方向上取得最大值。

頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的橫向異性度隨儲(chǔ)層深度增加，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)； 抗壓強(qiáng)度的縱向異性度隨取心角β的增大，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)； 縱向異性度變化幅度大于橫向異性度。

圖6 頁(yè)巖試樣的橫向異性度

圖7 頁(yè)巖試樣的縱向異性度

力學(xué)參數(shù)的各向異性一定度上反映了地層內(nèi)部構(gòu)造、層理發(fā)育及裂隙分布的情況。忽略對(duì)其異性度的考慮，會(huì)對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析產(chǎn)生偏差； 地下隧洞巷道巖體施工過(guò)程中，選擇在巖體異性度小的區(qū)域作業(yè)，可以避免因局部強(qiáng)度失穩(wěn)造成的崩塌。

異性度超過(guò)1.50的巖體區(qū)域易受開(kāi)挖等人工因素?cái)_動(dòng)，屬活動(dòng)性強(qiáng)易受擾動(dòng)地帶。通過(guò)相關(guān)變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)的異性度分析，確定巖體薄弱區(qū)域(地層/方位)，對(duì)巖體定向支護(hù)、局部加固具有重要意義。此外，頁(yè)巖氣開(kāi)采水力壓裂過(guò)程中，選擇在巖體強(qiáng)度適中、異性度高的區(qū)域定向射孔對(duì)于壓裂通道復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成具有重要意義。

2.4 頁(yè)巖破裂形態(tài)及破壞機(jī)制

不同位置取心的頁(yè)巖試樣不僅變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)差異明顯，破壞方式及破壞機(jī)制因儲(chǔ)層埋深和取心方位也有明顯區(qū)別。

圖8 頁(yè)巖試樣破壞過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

頁(yè)巖試樣的單軸壓縮過(guò)程中，軸向應(yīng)力從初始值加載到峰值時(shí)，伴隨著能量的突然釋放，巖體中的原生裂隙、層理、節(jié)理及次生擴(kuò)展裂隙不斷發(fā)展，貫穿部分或整個(gè)層理面、結(jié)構(gòu)弱面和頁(yè)巖基質(zhì)體； 峰值應(yīng)力后，試樣迅速失去承載能力，破壞過(guò)程呈現(xiàn)出典型脆性特征(圖8)。

據(jù)圖8 知，從初始加載至峰值應(yīng)力過(guò)程共歷時(shí)139.86s，達(dá)到峰值應(yīng)力后，僅9.84s內(nèi)，應(yīng)力跌落至峰值應(yīng)力的25%，試樣失去承載能力，破壞。

圖9為頁(yè)巖試樣單軸壓縮后幾種典型的破裂形態(tài)。其中①～④取自不同方向的7#儲(chǔ)層試樣， ⑤～⑧取自8#儲(chǔ)層試樣。

圖9 平行層理頁(yè)巖試樣破裂形態(tài)

其中①～④： ①7#儲(chǔ)層取心角β=0°頁(yè)巖試樣，破壞方式以拉伸劈裂為主，破裂面沿加載應(yīng)力方向展開(kāi)，試樣表面有平行于加載方向的裂縫，伴有巖塊脫落現(xiàn)象，試樣沿主應(yīng)力方向劈裂破壞，其破壞機(jī)制為貫穿層理的張拉破壞； ②7#儲(chǔ)層取心角β=45°頁(yè)巖試樣，破壞方式主要為剪切破壞，主破壞面與加載方向成45°，其破壞機(jī)制為順層理的劈裂破壞； ③7#儲(chǔ)層取心角β=90°頁(yè)巖試樣，破壞方式為整體劈裂破壞、局部剪切破壞，兩個(gè)主要的破壞面互相平行貫通，多個(gè)不同角度剪切面交叉，試樣下端部有部分剪切脫落塊體，其破壞機(jī)制為貫穿層理的剪切滑移破壞。上端部出現(xiàn)部分小碎屑?jí)K體，其原因是試驗(yàn)機(jī)壓頭與試樣端部摩擦引起的變形不協(xié)調(diào)； ④7#儲(chǔ)層取心角β=135°頁(yè)巖試樣，破壞方式為柱狀劈裂破壞，試樣破壞后成幾大塊體，破壞面互相平行，試樣垂直劈裂成若干塊體，下端有部分壓碎，其破壞機(jī)制為貫穿層理的張拉破壞。

表4 頁(yè)巖試樣破壞方式

Table4 Failure modes of shale specimens

破裂形態(tài)破壞機(jī)制破壞特征順層理的張拉劈裂破壞劈裂破壞伴隨局部剪切,主破壞面貫穿層理順層理的劈裂破壞和剪切滑移破壞劈裂破壞面從兩端發(fā)展,在試樣中部與剪切面匯合順層理的劈裂破壞垂直劈裂破壞,試樣底部劈裂破壞面溝通端部剪切面貫穿層理的剪切滑移破壞平行剪切破壞,試樣被分割成若干小塊貫穿層理和沿層理的剪切破壞共軛剪切破裂面貫通整個(gè)試樣

其中⑤～⑧： ⑤8#儲(chǔ)層取心角β=0°頁(yè)巖試樣，破壞方式主要為劈裂破壞，破壞后有小碎屑產(chǎn)生，說(shuō)明有局部摩擦作用產(chǎn)生剪切破壞，試樣表面存在不同方向剪切裂縫，其破壞機(jī)制為貫穿層理的張拉破壞； ⑥8#儲(chǔ)層取心角β=45°頁(yè)巖試樣，破壞方式為劈裂剪切共同作用，劈裂面與剪切面交叉連接貫通，剪切面與應(yīng)力加載方向大致成15°，試樣表面仍有未貫穿的劈裂裂縫，其破壞機(jī)制為順層理的劈裂破壞和剪切滑移破壞； ⑦8#儲(chǔ)層取心角β=90°頁(yè)巖試樣，破壞方式為試樣上端部劈裂破壞、下端部剪切破壞，剪切破壞面與加載方向大約成60°，其破壞機(jī)制為順層理的劈裂破壞； ⑧8#儲(chǔ)層取心角β=135°頁(yè)巖試樣，破壞方式為剪切劈裂破壞，試樣自上部劈裂，劈裂破壞面擴(kuò)展后與下部剪切破壞面交匯，形成剪切滑移塊體和劈裂塊體，其破壞機(jī)制為順層理的劈裂破壞。

基于單軸壓縮試驗(yàn)試樣破壞后的結(jié)果分析，平行層理頁(yè)巖試樣單軸壓縮條件下以劈裂破壞為主伴、隨部分或局部剪切破壞，呈現(xiàn)脆性破壞特征，破裂形態(tài)各異。平行層理取心試樣的5種基本破裂形態(tài)及其破壞機(jī)制(表4)。

表4 頁(yè)巖試樣破壞方式

不同儲(chǔ)層頁(yè)巖試樣在不同方向單軸壓縮后的破裂形態(tài)差異很大，其巖體破壞機(jī)制在一定程度上決定巖體的破裂形態(tài)。頁(yè)巖體內(nèi)部層理的發(fā)育度、層理面的分布及層理與基質(zhì)體之間的膠結(jié)情況影響巖體的破壞方式和破壞機(jī)制。

3 頁(yè)巖層理的影響

頁(yè)巖體中廣泛存在的層理不僅時(shí)刻影響著巖體基質(zhì)體，造成巖體變形參數(shù)的差異性，甚至在一定程度可以控制巖體強(qiáng)度及破壞方式。頁(yè)巖基質(zhì)體和層理的基本物理參數(shù)(表5，表6)。

表5 頁(yè)巖基質(zhì)體力學(xué)參數(shù)

Table5 Mechanical parameters of shale matrix

單軸抗壓強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa泊松比118.0028.5435.7826.060.367

表6 頁(yè)巖層理力學(xué)參數(shù)

Table6 Mechanical parameters of shale bedding

抗拉強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)0.30～2.008.9833.86

3.1 層理對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的影響

巖體中層理面的存在，使得巖體具有一定程度的各向異性。傳統(tǒng)頁(yè)巖體破壞分析中，將巖體視為橫觀各向同性體，在橫向平行層理內(nèi)巖體各向同性，但由于不同埋深處層理厚度及膠結(jié)度不同，此說(shuō)法并不一定準(zhǔn)確。

圖10 平行層理頁(yè)巖試樣破壞線區(qū)間

單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，軸向加載應(yīng)力由零開(kāi)始直至試樣破壞，理論上認(rèn)為，峰值時(shí)刻加載應(yīng)力即為試樣的抗壓強(qiáng)度。

假定頁(yè)巖基質(zhì)體和層理的破壞過(guò)程均服從莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，且平行于層理取心的頁(yè)巖試樣基質(zhì)體和層理面相互平行，則有

(7)

(8)

頁(yè)巖試樣的破壞包絡(luò)線應(yīng)介于直線τ1和τ2之間(圖10)，據(jù)此可求得頁(yè)巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度的范圍：

將表4和表5中的相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算，頁(yè)巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度σC∈(14.36， 111.50)，單位：MPa。

表1中頁(yè)巖試樣強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在抗壓強(qiáng)度理論值的范圍內(nèi)，說(shuō)明將頁(yè)巖試樣視為層理面和基質(zhì)體的組合體分析可行，頁(yè)巖試樣強(qiáng)度介于層理面的理論強(qiáng)度與基質(zhì)體的理論強(qiáng)度之間。

圖11所示為不同層理密度的頁(yè)巖試樣。隨層理密度的增加，頁(yè)巖試樣由基質(zhì)體逐漸轉(zhuǎn)化為含一定層理密度的混合體。

圖11 不同層理密度的頁(yè)巖試樣

不同埋深儲(chǔ)層頁(yè)巖的層理密度不同，定義無(wú)量綱化的層理密度為單位長(zhǎng)度內(nèi)層理弱面的總長(zhǎng)度，即沿深度方向單位米內(nèi)層理弱面的條數(shù)*單個(gè)層理弱面的厚度。計(jì)算各儲(chǔ)層不同方位頁(yè)巖層理密度，并取平均值。頁(yè)巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度與層理密度之間的關(guān)系如圖12 所示，據(jù)圖知頁(yè)巖隨層理密度增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。該圖從基質(zhì)體和層理分布的角度上解釋了不同儲(chǔ)層頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度差異的原因。

圖12 層理密度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

該分析結(jié)果說(shuō)明，頁(yè)巖層理密度在一定程度上控制頁(yè)巖體強(qiáng)度。同時(shí)，層理密度和分布情況也會(huì)影響頁(yè)巖的破壞方式。

3.2 層理對(duì)頁(yè)巖破壞方式的影響

層理膠結(jié)形態(tài)直接決定層理內(nèi)聚力，從而間接影響著巖體強(qiáng)度和破壞方式。

頁(yè)巖層理間，層理與基質(zhì)體間的膠結(jié)方式如圖13 所示。其中直線型的層理間和層理內(nèi)的膠結(jié)力較弱，凹凸型、波浪型和三角型的膠結(jié)力較強(qiáng)。膠結(jié)力的強(qiáng)弱直接體現(xiàn)出層理內(nèi)聚力的大小。

圖13 頁(yè)巖層理的膠結(jié)方式

頁(yè)巖基質(zhì)體的內(nèi)聚力始終大于頁(yè)巖層理的內(nèi)聚力和層理與基質(zhì)體聯(lián)結(jié)處的膠結(jié)力，基質(zhì)體與層理之間的內(nèi)聚力相對(duì)較弱時(shí)，單軸壓縮條件下頁(yè)巖試樣易沿層理或?qū)永砼c基質(zhì)體膠結(jié)處發(fā)生順層理的張拉劈裂破壞，如表4破裂形態(tài)中(ⅰ)(ⅲ)所示，這也是單軸壓縮條件下頁(yè)巖主要的破壞方式； 基質(zhì)體與層理間的內(nèi)聚力大小適中時(shí)，單軸壓縮條件下頁(yè)巖可發(fā)生貫穿層理和基質(zhì)體的破壞，如表4破裂形態(tài)中(ⅱ)(ⅳ)(ⅴ)所示，由于層理的影響，剪切破裂面形成的破壞角α不斷變化。

具有一定層理密度的頁(yè)巖試樣單軸壓縮破壞過(guò)程如圖14 所示。單軸壓縮過(guò)程中，隨著軸向壓力的逐漸增加，頁(yè)巖層理首先破壞； 逐步擴(kuò)展至層理基質(zhì)體混合交界處； 延伸至頁(yè)巖基質(zhì)體； 破裂面發(fā)展至頁(yè)巖試樣邊緣，試樣失去承載力，破壞。

圖14 單軸壓縮條件下的破壞過(guò)程

破壞時(shí)形成的破壞角α可由單軸抗壓強(qiáng)度及層理與基質(zhì)體的內(nèi)聚力求出：

(9)

據(jù)表7知，頁(yè)巖試樣單軸壓縮條件下破壞角α的理論值與實(shí)測(cè)值吻合程度良好，破壞角的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值幾乎全部落在理論最大值與最小值之間。

表7 頁(yè)巖試樣破壞角

Table7 Failure angle of shale specimens

試樣編號(hào)6#儲(chǔ)層7#儲(chǔ)層8#儲(chǔ)層9#儲(chǔ)層理論max值/(°)69.2178.3877.1767.41理論min值/(°)39.6556.8354.1137.10實(shí)測(cè)值1/(°)42.5265.2861.6464.55實(shí)測(cè)值2/(°)70.5574.6270.4558.62實(shí)測(cè)值3/(°)65.4858.3568.2545.45

4 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同埋深儲(chǔ)層和平行層理取心的頁(yè)巖試樣變形參數(shù)、強(qiáng)度特征及破壞方式的差異性。初步結(jié)論與建議如下：

(1)四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組頁(yè)巖橫、縱向變形參數(shù)均表現(xiàn)出差異特征。橫向面內(nèi)平行層理隨取心角度β的增大，變形參數(shù)總體上表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

(2)定義異性度用來(lái)定量描述頁(yè)巖變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)的差異程度。分析結(jié)果表明，取樣區(qū)段頁(yè)巖變形參數(shù)的橫向和縱向異性度小，其大小在1.50附近。強(qiáng)度參數(shù)的異性度明顯大于變形參數(shù)(彈性模量、泊松比)的異性度。

(3)頁(yè)巖試樣單軸壓縮條件下呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。破壞方式以劈裂破壞為主、伴隨有部分或局部剪切破壞； 不同埋深儲(chǔ)層、不同方位頁(yè)巖破壞角不同。

(4)頁(yè)巖層理的影響是導(dǎo)致其強(qiáng)度及破壞方式差異的主要原因之一。層理面在一定程度可以決定巖體的強(qiáng)度及破壞方式。

(5)頁(yè)巖地層中的薄弱面擠壓疊加形成層理面，順層理的剪切滑移和層理內(nèi)弱面的張開(kāi)是頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)的重要原因。水力壓裂過(guò)程中，橫向異性度大的層理首先被打開(kāi)，導(dǎo)致壓裂通道沿層理面擴(kuò)展，難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)不到理想的壓裂效果，在施工過(guò)程中要避免此類層理面被打開(kāi)。

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LABORATORY TESTS FOR MECHANICAL PROPERTIES OF DEEP-SEATED SHALE IN JIAOSHIBA BLOCK OF SICHUAN BASIN

Uniaxial compression experiments on shale specimens of Wufeng-Longmaxi region are carried out to study the mechanical properties within bedding planes under different depths. The deformation feature， compressive strength and five fundamental failure modes are summarized. The result shows that the mechanical parameters of shale within bedding planes under different depths are turned out to be significant difference. Shale blocks within bedding planes present obvious brittle failure characteristics， which mainly forms of splitting failure accompanied by partial or localized shear failure. On the whole， as the sampling angleβenlarges， the elastic modulus and Poisson’s ratio increase at first and then decrease. Comparative analyses are carried out for the mechanical parameters varieties of the transverse and longitudinal diversity. The diversity factor of compressive strength is quite larger than that of elastic modulus and Poisson’s ratio. The effect of shale bedding planes is one of the main factor for the diversity of strength and failure mode. Bedding plane can determine shale compressive strength and failure mode to some extent. The research provides references for the wellbore stability analysis and hydraulic fracturing design in the shale gas exploitation．

Deep-seated shale， Bedding planes， Mechanical properties， Different depths， Failure modes

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.017

2016-06-17;

2016-08-17.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51574218)， 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)課題(編號(hào)：XDB10040202)資助.

汪虎(1991-)，男，碩士生， 主要從事頁(yè)巖水力壓裂開(kāi)采過(guò)程中巖石力學(xué)問(wèn)題的研究. Email: wanghu0214@163.com

TU452

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