唐 偉 劉俊新 廖杰森 張 可 張永澤

(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010； 2. 西南科技大學(xué)工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621010；3. 中交隧道工程局有限公司華南分公司 廣東廣州 510700)

泥頁(yè)巖可以作為非常規(guī)油氣資源的儲(chǔ)層和封閉圈層[1]，其巖石力學(xué)特征是“甜點(diǎn)區(qū)”高效壓裂改造技術(shù)的關(guān)鍵因素[2]。泥頁(yè)巖具有各向異性，其彈性特性隨方向變化，這種各向異性是由高差異應(yīng)力、礦物(黏土和云母)沿層理面排列以及宏觀(guān)大小的裂縫和斷層引起的[3]。地質(zhì)力學(xué)分析依賴(lài)于巖石的彈性性質(zhì)和強(qiáng)度特性，地質(zhì)力學(xué)性能對(duì)頁(yè)巖油氣藏生產(chǎn)所需水力壓裂的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。在巖石彈性力學(xué)行為研究中，各向異性經(jīng)常被忽略，有必要進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)嘗試完善該領(lǐng)域的研究。

Niandou等[4]認(rèn)為頁(yè)巖失效行為很大程度上取決于受載方向和類(lèi)型，其在失效時(shí)展現(xiàn)了較大的各向異性變形。在油氣開(kāi)采中，盆地儲(chǔ)層的強(qiáng)度特性可以用來(lái)評(píng)估頁(yè)巖氣開(kāi)采潛力。Cho等[5]著重于片麻巖、片巖等層狀沉積巖強(qiáng)度特性的研究，在此基礎(chǔ)上建立目標(biāo)區(qū)位橫向各向同性模型，并且驗(yàn)證了沉積巖失效變形的各向異性。針對(duì)頁(yè)巖飽和與酸化的研究方面，基本的物理框架可以從微觀(guān)的角度來(lái)表征頁(yè)巖的各向異性，Josh[1]分析了頁(yè)巖介電常數(shù)、等效傳導(dǎo)率、波速和滲透率的層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)，為流體力學(xué)理論的拓展奠定基礎(chǔ)。在隧道開(kāi)挖中，巖石單元體能量積累與耗散是巖爆機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一。高春玉等[6]以砂板巖為研究對(duì)象，探究隧道開(kāi)挖中圍巖巖爆能量釋放現(xiàn)象的層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)，但并未探討巖爆破裂模式和其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度機(jī)制。劉運(yùn)思等[7]在各向異性條件下總結(jié)了3種片巖的巴西劈裂圓盤(pán)破裂模式(張拉破壞、剪切拉伸斷裂和剪切滑移)。劉勝利等[8]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了綠泥石片巖破裂機(jī)制的層理效應(yīng)。徐敬賓等[9]對(duì)地表露頭展開(kāi)一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究表明硬脆巖的破裂模式主要受到Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則控制。近年來(lái)，隨著地球淺部礦物資源逐漸枯竭，深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采已然趨于常態(tài)，但人們對(duì)超深部的巖石力學(xué)性質(zhì)和行為還缺乏了解，獲得一些巖石材料本身的基本力學(xué)參數(shù)，有助于該問(wèn)題的有效解決。同時(shí)，將巖石壓力效應(yīng)與層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)的耦合作用納入室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中，更能精確地反應(yīng)地質(zhì)力學(xué)信息?；诖?，對(duì)評(píng)價(jià)深埋頁(yè)巖氣藏地質(zhì)力學(xué)方面所采用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。在本文的研究工作中，為了更真實(shí)地模擬地層環(huán)境，根據(jù)該地域的最大水平地應(yīng)力隨埋深的分布規(guī)律來(lái)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，提高試驗(yàn)環(huán)境圍壓(最高可達(dá)100 MPa)以滿(mǎn)足鄂西渝東地區(qū)較深埋藏尺度下(1 500～5 000 m)非常規(guī)油儲(chǔ)層力學(xué)特性層理效應(yīng)研究的需求。該地區(qū)地應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)回歸結(jié)果和變化范圍分別如式(1)-式(3)和表1所示。

σv=0.0271H

(1)

σH=0.0216H+6.7808

(2)

σh=0.0182H+2.2328

(3)

式中：σv為垂直地應(yīng)力,MPa；σH為水平大主應(yīng)力，MPa；σh為水平小主應(yīng)力，MPa；H為地層埋深，m。

表1 鄂西渝東地區(qū)地應(yīng)力隨深度的變化Table 1 Variations of crustal stress with the depth in western Hubei and eastern Chongqing

此外，就深部泥頁(yè)巖儲(chǔ)層而言，裂縫形態(tài)非常復(fù)雜。研究表明，脆性也是表征深部頁(yè)巖力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)之一[10]，將泥頁(yè)巖脆度指標(biāo)納入到力學(xué)特性的研究范疇，是非常必要的。王躍鵬等[11]從層理密度、層理角度、單軸抗壓強(qiáng)度與脆性指數(shù)的相關(guān)性研究了層理面角度對(duì)頁(yè)巖脆性的影響，并建立了脆性指數(shù)的預(yù)測(cè)模型。吳濤[12]認(rèn)為脆性指數(shù)也與層理間距和層理強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。本文研究的泥頁(yè)巖來(lái)自于鄂西渝東下志留紀(jì)龍馬溪組，詳細(xì)分析了層理效應(yīng)和圍壓效應(yīng)對(duì)其力學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣均取自重慶石柱縣。根據(jù)《水力水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，測(cè)試樣品為巖芯直徑D為50 mm、高H為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

1.2 試驗(yàn)方案及設(shè)備

本次室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備為西南科技大學(xué)工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YSY-2500型高溫高壓巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，軸向最大荷載可達(dá)2 500 kN，圍壓可達(dá)120 MPa。荷載控制方式為線(xiàn)性位移(其控制速率為 0.06 mm/min)。

針對(duì)所測(cè)試的樣品，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)20，40，60，80，100 MPa 5種圍壓和0°，22.5°，45°，67.5°和90°共5種層理角度，如圖1所示，一共進(jìn)行25組試驗(yàn)。

圖1 試樣層理角度示意圖Fig.1 Schematic diagram of bedding angle

2 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 三軸壓縮試驗(yàn)下頁(yè)巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖2展示了具有不同層理面傾角的泥頁(yè)巖試樣在20，40，60，80，100 MPa圍壓作用下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。泥頁(yè)巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征大致可以用峰值前的應(yīng)變硬化階段和峰值后的應(yīng)變軟化、殘余穩(wěn)定階段來(lái)分別描述。應(yīng)變硬化階段包括以巖石孔隙、原生節(jié)理和缺陷壓密為主的彈性過(guò)程和以巖石內(nèi)部微裂紋萌生、擴(kuò)展為主的塑形屈服過(guò)程。隨著圍壓水平提高，在應(yīng)變硬化階段的第一過(guò)程與第二過(guò)程承載樣品所經(jīng)歷軸向壓縮變形量相對(duì)比例減小，峰值前曲線(xiàn)各處切線(xiàn)模量值的變化程度變大。此外，圍壓越大，峰值前塑形屈服臺(tái)階越平緩，應(yīng)變軟化階段中的應(yīng)力降程度和速率相對(duì)降低。無(wú)論是哪種層理角度下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)簇，上述規(guī)律不改變。比較層理角度為90° 和0° 的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)不難看出，前者軸向應(yīng)變壓縮量更大(100 MPa處，前者的峰值應(yīng)變2.1%左右，后者3.4%左右)，應(yīng)變軟化階段也更顯著，可能是由于層理弱面之間的膠結(jié)物顆粒粗大和堆積孔隙率大造成的[13]。綜上所述，泥頁(yè)巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征具有圍壓效應(yīng)和層理效應(yīng)。表2為泥頁(yè)巖三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 三軸壓縮試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Complete stress-strain curve under triaxial compression test

表2 頁(yè)巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of argillaceous shale under triaxial compression

2.2 各向異性對(duì)三軸抗壓強(qiáng)度的影響

如圖3所示，當(dāng)圍壓水平較低時(shí)，三軸抗壓峰值強(qiáng)度與層理角度的關(guān)系呈現(xiàn)近似“W”型的變化趨勢(shì)，且提高圍壓時(shí)，“W”型的變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型的變化趨勢(shì)，且拐點(diǎn)之后，強(qiáng)度指標(biāo)變化更為平緩。層理傾角一定，升高圍壓，峰值強(qiáng)度相應(yīng)增加。這是層理弱面的壓實(shí)作用所致[13]。在層理傾角為22.5° 處，試樣具有最小三軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)表2可知，當(dāng)層理角度為90° 和0° 時(shí)，黏聚力有較大值(分別為67.65 MPa和60.86 MPa)，內(nèi)摩擦角有較小值(分別為19.1° 和15.9° )，巖石屈服軌跡相對(duì)平緩，主要體現(xiàn)了泥頁(yè)巖的本征破壞(礦物顆粒膠結(jié)鍵的破壞數(shù)量更多)[14]，強(qiáng)度指標(biāo)較高(100 MPa處，峰值強(qiáng)度分別為269 MPa和251.5 MPa)。

圖3 抗壓峰值強(qiáng)度隨層理角度的變化關(guān)系Fig.3 Variation relationship of compressive peak-strength with the bedding plane angle

2.3 各向異性對(duì)彈性模量和泊松比的影響

在試驗(yàn)規(guī)定的圍壓條件下，本文繪制了彈性模量和泊松比與層理角度的變化趨勢(shì)圖，如圖4、圖5所示。由圖4可知，在各個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下，隨著層理面角度增加，泥頁(yè)巖彈性模量大致線(xiàn)性降低。層理傾角為0° 時(shí)，受載試樣存在明顯“壓桿效應(yīng)”，各個(gè)被層理弱面分割的柱體就是壓桿，隨著荷載增加，它們之間互相擠壓而產(chǎn)生約束效果，增加了巖石剛度。層理傾角為90° 時(shí)，層理面間礦物顆粒具有松散的膠結(jié)組構(gòu)，相對(duì)泥頁(yè)巖基質(zhì)體而言，更容易被垂直壓實(shí)。此外，增大的圍壓使試樣沿著小主應(yīng)力方向的機(jī)械壓密效果變得明顯，大大增加了縫隙間的接觸面積[15]，因此彈性模量隨著圍壓增大而減小。由圖5可知，泊松比與層理面角度的關(guān)系大致呈現(xiàn)“V”型變化趨勢(shì)，其減小趨勢(shì)也可由試樣“壓桿效應(yīng)”解釋。此外，泥頁(yè)巖的破裂角45°+0.5φ(60.97°)與層理面傾角67.5° 相似，層間巖塊易發(fā)生順層理面的剪切滑移[16]，故泊松比最小。此外，升高的圍壓也一定程度上抑制了試樣的側(cè)向膨脹，因此，泊松比隨著圍壓增大而減小。

圖4 頁(yè)巖彈性模量隨層理面角度變化圖Fig.4 Variation diagram of Modulus of elasticity with the bedding plane Angle

圖5 頁(yè)巖泊松比隨層理面角度變化圖Fig.5 Variation diagram of Poisson'’s ratio with the bedding plane angle

因此，受層理面影響，泥頁(yè)巖的壓縮強(qiáng)度、彈性模量和泊松比呈現(xiàn)出顯著的各向異性特征。定義力學(xué)參數(shù)各向異性度為：

(4)

(5)

式中：K1和K2為各向異性度參數(shù)；S∥和S⊥分別為某一側(cè)向限制壓力條件下平行于層理面和垂直于層理面的力學(xué)參數(shù)值；Smax和Smin分別為某一側(cè)向限制壓力條件下最大和最小的力學(xué)參數(shù)值。

由圖6可知，總體上，彈性模量和泊松比的各向異性度隨圍壓的增加呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，而三軸抗壓強(qiáng)度各向異性度隨圍壓的增加呈現(xiàn)增大的變化規(guī)律，也就是說(shuō)，巖石兩主要結(jié)構(gòu)方向的各向異性度在減小。前一變化趨勢(shì)是由于壓力對(duì)層理弱面的壓密作用較顯著引起的，而后者的變化趨勢(shì)是由于升高的圍壓會(huì)抑制層理弱面開(kāi)裂，從而引起巖石破裂機(jī)制的改變。因此，對(duì)處于高應(yīng)力狀態(tài)下的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，如果忽略其基本力學(xué)參數(shù)的各向異性，將對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)較大誤差。此外，三軸抗壓強(qiáng)度各向異性度較小，有利于油氣開(kāi)采井管壁的穩(wěn)定性。

圖6 泥頁(yè)巖基本力學(xué)參數(shù)各向異性度Fig.6 Anisotropy degree of the basic mechanical parameters for argillaceous shale

2.4 三軸壓縮試驗(yàn)下頁(yè)巖破壞模式分析

圖7所示為泥頁(yè)巖三軸試驗(yàn)破壞形態(tài)。從圖7可以看出，泥頁(yè)巖的斷裂形態(tài)具有各向異性特征和圍壓效應(yīng)。

(1)當(dāng)層理面傾角為0° 時(shí)，巖石呈現(xiàn)順層理弱面和局部穿越層理弱面的破壞形態(tài)，與“壓桿失穩(wěn)”現(xiàn)象關(guān)系密切，屬于典型的劈裂破壞，即裂紋擴(kuò)展方向與軸向應(yīng)力方向大致平行。此外，圍壓越大，破裂面角度變大，因?yàn)閲鷫涸黾恿藟簵U之間的橫向約束效應(yīng)，使其捆綁在一起，裂縫更易以小傾角穿越層理面，誘發(fā)基質(zhì)體開(kāi)裂。

(2)當(dāng)層理面角度為 22.5° 時(shí)，各個(gè)圍壓下巖樣的斷裂形態(tài)呈現(xiàn)單一的張剪破壞模型，裂縫以單一方向性且與層理弱面成高角度的形式貫穿巖樣基質(zhì)體。由于“端面摩擦效應(yīng)”存在，在接近試樣下端面處，出現(xiàn)局部圓錐破壞形態(tài)(80 MPa處)。

(3)當(dāng)層理面角度為 45° 和67.5° 時(shí)，在三軸壓縮下，破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合張剪模式。裂縫發(fā)展過(guò)程可以描述如下：在端面處，先小角度穿越基質(zhì)體，擴(kuò)展到臨近層理面處時(shí)，接著發(fā)生順層理面剪切滑動(dòng)。圍壓削弱了層理弱面的力學(xué)特征，試樣各向異性減小，層理面間的壓實(shí)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致試樣該處斷裂韌性降低，裂紋更容易穿越層理面，誘發(fā)基質(zhì)體開(kāi)裂，因此破裂面是多段折線(xiàn)型的(層理面角度為67.5°，圍壓40 MPa和100 MPa)。其中，在層理角度為67.5°，測(cè)試圍壓40，60 MPa時(shí)，出現(xiàn)共軛剪切縫，這是在壓力和層理弱面的共同引導(dǎo)下進(jìn)行的，導(dǎo)致巖樣被分割成幾塊。

(4)當(dāng)層理面角度為 90° 時(shí)，低圍壓，宏觀(guān)裂縫沿著近似軸向方向穿過(guò)層理弱面和基質(zhì)體，屬于典型的張拉破壞。圍壓越大，破裂面的傾角變大，同時(shí)裂縫面貫通巖石上下端面，破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變成了剪切破壞模式。

圖7 三軸壓縮試驗(yàn)破壞模式Fig.7 Rupture morphology under triaxial compression test

4 結(jié)論

(1)當(dāng)圍壓水平較低時(shí)，三軸抗壓峰值強(qiáng)度與層理角度的關(guān)系呈現(xiàn)近似“ W”型的變化趨勢(shì)，且提高圍壓時(shí)，“W”型的變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型的變化趨勢(shì)。層理傾角一定，升高圍壓，峰值強(qiáng)度相應(yīng)增加。

(2)在各個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下，隨著層理面角度增加，泥頁(yè)巖彈性模量大致線(xiàn)性降低；泊松比與層理面傾角大致呈現(xiàn)“V”型變化規(guī)律，當(dāng)層理面傾角為67.5°時(shí)，泊松比最小。

(3)彈性模量和泊松比的各向異性度隨圍壓的增加呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，而三軸抗壓強(qiáng)度各向異性度隨圍壓的增加呈現(xiàn)增大的變化規(guī)律。