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    不同應(yīng)變速率下泥頁巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

    2014-02-04 12:18:06劉俊新楊春和
    巖土力學(xué) 2014年11期
    關(guān)鍵詞:力學(xué)頁巖峰值

    劉俊新 ,劉 偉,楊春和,霍 亮

    (1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071;2.西南科技大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,四川 綿陽 621010;3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

    1 引 言

    巖體在動(dòng)力效應(yīng)下(爆破、巖爆、動(dòng)載)與其在靜力條件下(蠕變、構(gòu)造運(yùn)動(dòng))的力學(xué)特性具有極大的差異,這在唯象學(xué)上主要表現(xiàn)為力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度等)的不同,而其力學(xué)機(jī)制卻反映了巖石內(nèi)部在不同變形及加載速率下能量吸收/釋放、微破裂孕育演化的響應(yīng)特征。因此,時(shí)間尺度效應(yīng)一定程度上反映了巖石本質(zhì)屬性的差異,認(rèn)清這些特征,對于不同時(shí)間尺度下的工程建設(shè)、災(zāi)害治理及能源開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

    巖體的時(shí)間效應(yīng),一般通過應(yīng)變速率試驗(yàn)加以研究,近年來,關(guān)于巖石應(yīng)變速率方面的研究一直處于積極的探索之中,并已取得了一些有益的研究成果。朱瑞賡等[1]開展了不同加載速率下的花崗巖力學(xué)試驗(yàn),揭示了其強(qiáng)度隨加載速率變化的規(guī)律,并建立了適用于花崗巖一類硬脆巖石的動(dòng)力破壞判據(jù)。李永盛等[2]研究了紅砂巖在9 級不同加載速率下的力學(xué)特征,系統(tǒng)地分析了不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度、彈性模量、峰后等特性,同時(shí)給出了實(shí)測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式。Liang 等[3]開展了兩種鹽巖的單軸應(yīng)變率試驗(yàn)研究,重點(diǎn)從能量角度探討了鹽巖軟巖的應(yīng)變率效應(yīng)特征及其對溶腔穩(wěn)定性的影響。紀(jì)文棟等[4]開展了不同應(yīng)變率、不同圍壓下鹽巖的三軸壓縮試驗(yàn),從破裂形態(tài)、強(qiáng)度及變形特性角度揭示了在圍壓與應(yīng)變率耦合效應(yīng)下鹽巖的力學(xué)特征,重點(diǎn)剖析了不同應(yīng)變速率下鹽巖裂紋的演化規(guī)律。張連英等[5]開展了200 ℃的高溫下石灰?guī)r的應(yīng)變率特性研究,指出了高溫應(yīng)變速率下巖石破裂特征與常溫條件下的異同。周輝等[6]開展了深部大理巖在不同應(yīng)變率的單軸拉伸試驗(yàn),并從斷口形貌學(xué)角度揭示了不同應(yīng)變率下破裂差異的微觀機(jī)制,為應(yīng)變率研究開辟了新思路。

    隨著全球原油漲價(jià)以及能源危機(jī)加劇,以往僅作為蓋層的頁巖/泥頁巖逐漸引起世界的關(guān)注。我國主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為15×104~30×104億m3,與美國28.2×104億m3大致相當(dāng),具有極大經(jīng)濟(jì)的潛力[7],因此,頁巖氣一直被譽(yù)為可取代傳統(tǒng)油氣資源的最為重要的非常規(guī)能源。美國于2000年左右便實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的工業(yè)開采,從此拉開了大力開發(fā)頁巖氣的序幕。與此同時(shí),頁巖中不但含氣、也含有液態(tài)石油,頁巖油探明儲量約為傳統(tǒng)石油的1.5 倍[8],因此美國目前在不放棄頁巖氣大力開采的前提下也將一部分開發(fā)重心轉(zhuǎn)移到頁巖油的開發(fā)利用上?;诋?dāng)前的國際背景,國家在“十二五”規(guī)劃中明確提出將頁巖作為一種特殊的獨(dú)立礦種,并要求大力加強(qiáng)對頁巖油氣資源的研究與開發(fā)[9]。

    我國目前對頁巖的研究主要以開發(fā)頁巖氣為首要方向。頁巖具有低滲透、低孔隙度、結(jié)構(gòu)致密的特征,需要采用水力分段壓裂一類人工造縫技術(shù)才能使得賦存于微小孔洞中的天然氣流入井筒,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)開采[10]。一般頁巖氣井需要經(jīng)過一次或多次反復(fù)、分段壓裂才能逐漸實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效目的,且頁巖氣井作業(yè)周期長達(dá)數(shù)十年[11]。因此,頁巖在壓裂、開采等各個(gè)環(huán)節(jié)需要充分考慮頁巖力學(xué)性質(zhì)的時(shí)間特征。壓裂的排量、速率都決定了產(chǎn)量和開采壽命,探明頁巖在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng),就顯得至關(guān)重要。

    針對頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)的研究成果非常缺乏,國外僅見Chong 等[12]提到過油頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)研究。國內(nèi)僅有陳勉等[13]、王倩等[14]開展過頁巖的常規(guī)單三軸力學(xué)特性研究,頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)是亟待開展的科研課題。本研究采用地表一定深度下的新鮮頁巖試樣,開展了不同應(yīng)變速率下的單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn),分析了彈性模量、峰值強(qiáng)度、破裂方式等對不同應(yīng)變速率的響應(yīng)特征,重點(diǎn)揭示了不同應(yīng)變率下的破裂特征,最后結(jié)合頁巖氣開發(fā)的相關(guān)背景開展了關(guān)于應(yīng)用的探索與討論。研究結(jié)果可為進(jìn)一步認(rèn)清頁巖的破碎和壓裂特征提供有益參考。

    2 試驗(yàn)介紹

    2.1 試樣準(zhǔn)備

    試樣均取自重慶市武隆縣江口鎮(zhèn)地表露頭剛開挖的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖,通過對該區(qū)段頁巖的埋藏深度、厚度、有機(jī)碳含量、頁巖氣含量以及脆度的綜合評判表明,該區(qū)段為頁巖氣勘探有利區(qū)段[15],在現(xiàn)場鉆取直徑49 mm 的長柱巖芯,然后迅速擦干蠟封編號,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室妥善保管。待用試樣時(shí),選取從同一位置所取的巖芯進(jìn)行加工。頁巖屬于典型層狀巖體、層理較易裂開,為避免水力切割后造成節(jié)理失水開裂,試樣均手工加工制得:首先,利用鋼鋸切出長度102 mm 左右的試樣,然后,利用專用夾具配合細(xì)砂紙分步打磨直至形成符合試驗(yàn)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

    本次試驗(yàn)所用試樣的層理方向均為水平方向。為對試樣有更深入地了解,加工試樣中收集了巖芯粉末,用于開展成分分析。X-射線衍射分析(XRD)結(jié)果顯示,各組分含量平均為:石英49.48%,鈉長石13.93%,伊利石12.97%,黃鐵礦13.17%,方解石6.32%,綠泥石-蛇紋石2.22%,鐵白云石1.91%,成分組成如圖1 所示餅狀圖。為避免試樣本身差異過大,使得其本身力學(xué)特性的偏差覆蓋了應(yīng)變率的偏差,對所用試樣同時(shí)測定了密度、縱波速度2 個(gè)參數(shù),剔除了具有明顯偏離的試樣,此外還剔除了有缺口、殘缺、礦脈充填的試樣。試樣有關(guān)信息見表1。

    圖1 頁巖成分組成餅狀圖(XRD)Fig.1 Pie chart of the shale compositions(XRD)

    2.2 試樣方案

    周維恒[16]對動(dòng)、靜加載的定義為:當(dāng)加載速率(應(yīng)變率)在10-4~10-6s-1的范圍內(nèi)時(shí),認(rèn)為靜態(tài)加載;當(dāng)加載速率高于10-4s-1時(shí),則為動(dòng)態(tài)加載。本文暫不涉及頁巖動(dòng)力特性研究,故所設(shè)計(jì)的應(yīng)變加載速率均不高于10-4s-1。本次頁巖單軸壓縮應(yīng)變速率試驗(yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上開展,該試驗(yàn)系統(tǒng)的框架整體剛度達(dá)5.0×109N/m,加載應(yīng)變率范圍為10-2~10-6s-1,軸向位移采用一個(gè)量程為5 mm 的LVDT,環(huán)向變形采用2 個(gè)量程為2.5 mm 的LVDT,軸向荷載采用1 000 kN 的力傳感器測量。試驗(yàn)過程中系統(tǒng)可自動(dòng)采集記錄試樣的軸向載荷、軸向及環(huán)向位移,加載方式采用位移控制模式,本次頁巖壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)變速率分別為5×10-4、1×10-4、1×10-5、1×10-6s-1,每級應(yīng)變速率試驗(yàn)針對3 塊試樣開展。每塊試樣的試驗(yàn)參數(shù)見 表1,其中為應(yīng)變速率。

    表1 試樣信息及試驗(yàn)方案Table 1 Petrophysical information of the samples and testing plan

    3 試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

    通過對單軸壓縮試驗(yàn)記錄的荷載、位移數(shù)據(jù)整理和分析,求得泥頁巖在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€,并繪制于圖2(1142-31 指向與-19重合)。為確保試驗(yàn)曲線的代表性,針對每組曲線,選取了基本位于平均值附近的那一條曲線并繪制在一起。對于其他試樣的試驗(yàn)結(jié)果,表2 中給出了所有相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果4 個(gè)主要力學(xué)指標(biāo)參數(shù)。

    圖2 4 種不同應(yīng)變率的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)糖€Fig.2 The entire stress-strain curves under four different strain-rates

    表2 不同應(yīng)變速率下單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Uniaxial compression results under different strain-rates

    由圖2 可見,4 種不同應(yīng)變速率下頁巖試樣的壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段及峰后脆性破壞階段均較為明顯。頁巖屬于典型的沉積類層狀巖體,由于沉積差異性,在層面一般有微孔隙、微裂隙、細(xì)小層理等微缺陷的存在,且本次所取試樣位于地表附近,相對于深部受高壓狀態(tài)的頁巖,應(yīng)力卸載效應(yīng)更加顯著,因此,試驗(yàn)中出現(xiàn)了較為明顯的壓密階段。一方面證明了巖芯層理中微缺陷的存在,另一方面也說明地表巖芯與深部地層頁巖仍存在一定差異[13]。通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的匯總分析還可以看出,應(yīng)變速率越低、壓縮變形階段越明顯、其所占總應(yīng)變的比例也更大,因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變速率越低時(shí),發(fā)生變形的反應(yīng)時(shí)間越充分;在較高的應(yīng)變速率下巖體尚來不及發(fā)生塑性變形,較高的應(yīng)力速率已經(jīng)迫使巖體進(jìn)入下一階段的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)之中,高應(yīng)變速率下壓縮變形階段即迅速地結(jié)束,很快進(jìn)入彈性階段。頁巖屬于硬脆性巖石,從筆者所參與過的大量頁巖力學(xué)試驗(yàn)來看,頁巖所具備的彈性特性均較為明顯,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的直線上升段。由圖1 還可見,當(dāng)該直線階段(彈性階段)持續(xù)到約超過峰值強(qiáng)度1/2 以后,曲線才逐漸發(fā)生微微偏轉(zhuǎn)、斜率略微有所下降的現(xiàn)象,也表明此時(shí)試樣內(nèi)部微裂紋開始漸漸萌生、擴(kuò)展,逐步弱化試樣的剛度,但其程度仍遠(yuǎn)不及導(dǎo)致形成貫通型宏觀裂紋的狀態(tài),表現(xiàn)為其剛度的下降并不如軟巖一般顯著,而是緩慢地下降到峰值處,然后發(fā)生突然的脆性斷裂。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),峰值點(diǎn)附近部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)局部波動(dòng)起伏,該現(xiàn)象在應(yīng)變率越低時(shí)越明顯。這種峰值附近應(yīng)力波動(dòng)的現(xiàn)象在層狀巖體中時(shí)有發(fā)生,其原因應(yīng)該是發(fā)生局部破壞后的結(jié)構(gòu)自我調(diào)整,致使自身剛度和穩(wěn)定性得到一定程度的恢復(fù)。很顯然,應(yīng)變速率越低,自身調(diào)整的時(shí)間越充分,繼而出現(xiàn)應(yīng)力下降又上升的現(xiàn)象也越明顯、波動(dòng)起伏的次數(shù)也可能越多。整體而言,無論應(yīng)變速率高低,峰后應(yīng)力都迅速跌落,脆性破壞特征極為顯著,且所有試樣的殘余強(qiáng)度幾乎都為0。

    3.2 破裂特征分析

    較高應(yīng)變速率下應(yīng)力迅速達(dá)到峰值,且發(fā)生劇烈破壞,并伴隨較大轟響,巖芯也在瞬間被劈裂成較大的豎直片狀碎塊,斷面上有粉體狀物質(zhì)出現(xiàn),說明破壞前斷面發(fā)生過劇烈的摩擦。局部傾斜斷口有明顯撕裂痕跡,說明這些部位是被強(qiáng)行剪切破壞造成,表明在較高應(yīng)變率下巖芯的破壞可能并非完全遵循于微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通,然后形成宏觀裂紋這種經(jīng)典模式。在快速加載作用下發(fā)生強(qiáng)力破壞,裂紋之間根本沒有足夠的時(shí)間萌生和貫通,試樣內(nèi)部應(yīng)力因此(來不及)隨著裂紋萌生擴(kuò)展而重新分布,只能迅速到達(dá)巖芯的強(qiáng)度,進(jìn)而引起急劇破壞。此外觀察也發(fā)現(xiàn),裂紋是從上端面開始(軸壓活塞從上往下加載)而后迅速引起整個(gè)試樣的破壞,傾斜斷面只是一般發(fā)生在試樣的下半部分。

    隨著應(yīng)變速率的降低,破壞也逐漸變得溫和可控,試樣不再碎成片塊狀;當(dāng)達(dá)到較低應(yīng)變率時(shí),可以明顯觀察到試樣表面裂紋逐漸形成與貫通,直到峰后脆性破壞,但試樣仍未散落。這也是極易理解的,較低應(yīng)變速率下試樣的變形與裂紋發(fā)展有足夠的反應(yīng)時(shí)間,巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生局部破壞之后,也有充分的時(shí)間進(jìn)行自由結(jié)構(gòu)調(diào)整,進(jìn)而使得整體上的破壞顯得較為均勻。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn):應(yīng)變速率越低,斷面上出現(xiàn)的粉末越少,剪切型傾斜斷面也越少。當(dāng)應(yīng)變率位于1×10-4s-1時(shí),破壞以劈裂為主,但局部也產(chǎn)生剪切破壞,例如試樣1142-23:側(cè)面被劈裂成多塊豎直片塊,但一端出現(xiàn)明顯的對頂錐破裂面。當(dāng)應(yīng)變率進(jìn)一步下降到1×10-5s-1時(shí),破壞變得更加緩和,試樣側(cè)面出現(xiàn)多條劈裂縫,裂紋從上端發(fā)展到下端時(shí)也出現(xiàn)傾斜的情形,表現(xiàn)為一定的剪切破裂性質(zhì)。隨著應(yīng)變率的進(jìn)一步降低(達(dá)到1×10-6s-1),試樣被多條縱向劈裂縫覆蓋,橫向裂紋的數(shù)量也隨之逐漸增加。

    整體而言,較高應(yīng)變速率下巖體的破壞仍以單一的劈裂為主,破壞后主要碎裂成豎向的片塊,局部傾斜破壞斷面是峰后形成,與片塊之間的相互作用有關(guān),其作用機(jī)制類似于相連壓桿失穩(wěn)。隨著應(yīng)變率地下降,試樣雖仍以劈裂破壞為主,但局部也伴隨剪切破裂面的出現(xiàn),且橫向裂紋也隨著應(yīng)變速率的下降而逐漸增多,即破壞之后試樣成為由較多縱橫裂紋交錯(cuò)切割的裂紋網(wǎng)體系。賈長貴等[17]指出,90°傾角的頁巖在單軸壓縮下(與本文頁巖層理方向相同)以剪切-劈裂破壞為主,與本文所處應(yīng)變率為1×10-4~1×10-5s-1的破裂結(jié)果相近,而0°傾角的頁巖則以劈裂破壞為主,與本文應(yīng)變速率為1×10-4s-1時(shí)的結(jié)果較為相近。賈長貴等的研究結(jié)果表明,頁巖是一種典型的橫觀各向同性材料,傾角是影響其力學(xué)特性的重要因素。本文的研究也認(rèn)為應(yīng)變率對破裂特征的影響非常明顯,從破裂形態(tài)而言,其影響不亞于傾角的影響,因此僅從傾角方面是難以全面準(zhǔn)確地揭示頁巖的力學(xué)特征。

    圖3為4 種不同應(yīng)變速率下頁巖試樣破壞后的照片及破裂形態(tài)側(cè)面展開圖。1142-18和1142-23已經(jīng)破裂,無法繪制素描圖,而1142-36和1142-33結(jié)構(gòu)尚未潰散,但其橫向裂紋較為細(xì)小,僅從照片中難以識別,故添加了線條繪制其縱橫裂紋并將半圓弧作了側(cè)面展開,可以幫助了解其詳盡的縱橫網(wǎng)狀裂紋分布情形。從圖中也可看出,應(yīng)變速率對頁巖的破裂方式的影響是非常顯著的。

    圖3 不同應(yīng)變速率下的破壞形態(tài)及示意圖Fig.3 Fracture morphologies and sketches under different strain rates

    需要指出的是,通過壓裂實(shí)現(xiàn)頁巖氣開采,目標(biāo)是就是通過合理的壓裂工藝(水平壓裂、分段壓裂)使頁巖儲集層中產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的密集裂紋網(wǎng)。而本次頁巖的應(yīng)變速率試驗(yàn)顯示,加載速率對裂紋的破裂方式具有重要影響。因此,密切關(guān)注頁巖不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度及破損特征,不僅對探明其力學(xué)特性有重要意義,而且對工業(yè)增產(chǎn)、增效具有潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。

    4 不同應(yīng)變率力學(xué)特征分析

    應(yīng)變速率反映了巖體對于加載條件的力學(xué)響應(yīng)特征。較快速的動(dòng)力響應(yīng)一般更為劇烈、突然、并伴隨巨大的能量釋放,如巖爆、爆破、沖擊荷載,靜力響應(yīng)則一般較為平緩、持續(xù)時(shí)間長,例如,軟巖的蠕變等。對于時(shí)間尺度下的力學(xué)響應(yīng)特征,其所試用的本構(gòu)關(guān)系及破裂判據(jù)一般也有所區(qū)別[18]。本文涉及的應(yīng)變率≤5×10-4s-1,尚屬于準(zhǔn)靜態(tài)范疇。而頁巖氣/油在開發(fā)過程中,壓裂的時(shí)間較短,一般持續(xù)時(shí)間幾小時(shí)乃至幾天,但頁巖氣井具有長壽命的特征,國外有人預(yù)測某些頁巖氣井的壽命可長達(dá)80年[8],因此,研究從10-4~10-6s-1的頁巖應(yīng)變率效應(yīng)更有工程背景意義,也啟示筆者在以后的研究中應(yīng)該包含更廣泛的應(yīng)變速率。

    應(yīng)變率效應(yīng)中彈性模量和峰值強(qiáng)度是影響最為重要的2 個(gè)表征指標(biāo),也是壓裂方案設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮的力學(xué)參數(shù)??紤]應(yīng)變速率對頁巖的物理力學(xué)參數(shù)的影響,具有重要的使用價(jià)值。以下對此展開詳細(xì)論述。

    (1)彈性模量

    僅從應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較難看出應(yīng)變速率的顯著影響,將應(yīng)變速率與彈性模量繪制在同一圖中時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)兩者的相互關(guān)聯(lián)。由于應(yīng)變速率區(qū)間跳躍較大,為了便于觀察對應(yīng)變率采用負(fù)對數(shù)坐標(biāo),其坐標(biāo)值越大,表示應(yīng)變率越低。從圖4 可見,應(yīng)變率負(fù)對數(shù)與彈性模量存在較為顯著的相關(guān)關(guān)系,即隨著應(yīng)變率的逐漸降低,彈性模量呈下降趨勢,但下降的速度逐漸變緩,整個(gè)應(yīng)變率范圍內(nèi)彈性模量下降程度約為31.3%。通過擬合關(guān)系發(fā)現(xiàn),可用指數(shù)函數(shù)來表征兩者之間的關(guān)系:

    式中:E為彈性模量,由應(yīng)力-應(yīng)變彈性段計(jì)算獲??;vt為應(yīng)變速率負(fù)對數(shù),等于-l g()。

    圖4 彈性模量與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship of elastic modulus versus minus logarithm of strain rate

    由圖4 可見,彈性模量隨著加載速率下降而緩慢降低,表明加載速率對巖體具有一定的強(qiáng)化效應(yīng)。一般而言,加載速率越低,彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢,與李永盛等[2]的研究成果較為接近。很明顯,加載速率越高巖體的變形越滯后于應(yīng)力,將導(dǎo)致部分變形來不及發(fā)生則應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到較大的值,進(jìn)而表現(xiàn)出更高的彈性參數(shù)。

    (2)峰值應(yīng)力

    圖5為峰值強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的關(guān)系曲線。采用相同的處理方法,應(yīng)變率取負(fù)對數(shù)。16 塊試樣之間的強(qiáng)度差異不大,單獨(dú)分析難以找出較為明顯的規(guī)律,但其整體趨勢較為明顯,即應(yīng)變率越低,峰值強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢。由圖5 可見,峰值強(qiáng)度隨著應(yīng)變率增加呈緩慢下降趨勢,在整個(gè)區(qū)間下降的幅度為20.4%,其幅度低于彈性模量的下降范圍,表明應(yīng)變率對彈性模量的影響更顯著。

    對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合,也較為符合冪函數(shù)關(guān)系:

    式中:RC為單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);vt=-lg(),應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)。

    圖5 應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)與峰值強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Relationship of minus logarithm of strain rate versus peak strength

    綜上可知,巖體屬于典型的非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性介質(zhì)。盡管在試樣選取時(shí)盡量排除各種可能的干擾因素,以使試樣之間的差異降到最低,但也難以找到兩塊完全相同的巖樣,仍需要開展大量的、重復(fù)的試驗(yàn),才能更好地找到其符合統(tǒng)計(jì)意義上的規(guī)律。限于各種原因,本次試樣采用的試樣數(shù)量僅有16 塊,其統(tǒng)計(jì)的樣本仍然較小,擬合數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)的擬合度不高。為了進(jìn)一步分析巖樣的應(yīng)變率特征,本次對每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)先求平均值,再用相同的公式進(jìn)行擬合,得到關(guān)于彈性模量、峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系,如圖6、7 所示。采用平均值進(jìn)行擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)擬合度均超過0.9 時(shí),峰值強(qiáng)度的擬合度還達(dá)到了0.99,說明頁巖應(yīng)變速率對彈性模量和峰值強(qiáng)度的影響基本上符合本文給定的關(guān)系。當(dāng)然,本文所取的應(yīng)變率間隔較大,樣本較少,在今后的試驗(yàn)中還需減小應(yīng)變率間隔、增加試樣數(shù)量,進(jìn)一步揭示應(yīng)變率對頁巖力學(xué)特性的影響。此外,由采用平均值擬合的結(jié)果可以得到啟發(fā),對于諸如應(yīng)變率這類較為符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究課題,開展大量的試驗(yàn),從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來進(jìn)行力學(xué)特性的研究是必須的,也是必要的。

    圖6 彈性模量平均值與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship of minus logarithm of strain rate versus mean elastic modulus

    5 討論與應(yīng)用

    應(yīng)變速率對強(qiáng)度特征如峰值強(qiáng)度、彈性模量的影響較為顯著,對于確定頁巖的基本力學(xué)參數(shù),進(jìn)而為水力壓裂方案提供可靠的技術(shù)參數(shù)具有重要的實(shí)用意義。在頁巖氣的開發(fā)中,更為關(guān)注的是頁巖的破裂特征對壓裂增產(chǎn)具有顯著影響。頁巖屬于生、儲、蓋自成一體的特殊儲集層,其結(jié)構(gòu)致密、滲透率低、微細(xì)孔隙發(fā)育,正因?yàn)槿绱耍谝酝搸r一直作為蓋層而未被引起足夠重視。而隨著人類對于能源的需求增加,而常規(guī)油氣資源又逐漸開采殆盡,才不得不把目光轉(zhuǎn)移至難以開采的頁巖氣上來。頁巖壓裂工藝的目的是使頁巖儲層內(nèi)部產(chǎn)生人造裂紋,以使內(nèi)部微小孔洞中的天然氣能夠通過人為誘導(dǎo)裂縫流入井筒。

    顯然,開采的最佳目標(biāo)是使頁巖中形成縱橫交錯(cuò)、密密麻麻分布的裂紋網(wǎng),裂紋的密度直接決定了氣井的產(chǎn)量和壽命。以往的研究主要將頁巖作為一種橫觀各向同性介質(zhì),較多地關(guān)注角度對裂紋網(wǎng)形成的影響、關(guān)注不同方向的力學(xué)性質(zhì)的差異,尤其關(guān)注于水平和豎直方向的斷裂韌性的差異。從已有成果來看,一般認(rèn)為,層理方向比垂直層理方向更容易開裂起縫[13-14,17],而鮮有加載應(yīng)變速率對頁巖破損特征及壓裂特性的報(bào)道。本文研究結(jié)果表明,應(yīng)變率越低形成縱橫裂紋的可能性也越大,因?yàn)榈蛻?yīng)變率加載能有效促使能量均勻而緩慢地作用于巖石的破碎,使裂紋能夠相互溝通和串聯(lián)。較高應(yīng)變率雖然也能造成巖體的破壞,但均形成較大的塊體,且有較多的能量已經(jīng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能做功、最終耗散,一定程度上降低了能量使用率。雖然水力壓裂下實(shí)際地層的應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)比單軸壓縮復(fù)雜,但作為相同的頁巖,即使是最為簡單的單向應(yīng)力狀態(tài),其物理性質(zhì)也在一定程度揭示其可能的應(yīng)力響應(yīng)模式,更是進(jìn)一步開展試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)。筆者據(jù)此作出大膽假設(shè):采用水力壓裂時(shí),壓裂的速率對最終的壓裂效果必然存在影響,而且很可能遵從本文不同應(yīng)變速率下的破裂模式,即較高速率的壓裂會使儲層很快開裂,但形成的是一些大的、數(shù)量有限的裂縫。較低速率下的壓裂則很有可能讓儲層中形成更加細(xì)小、但數(shù)量更多、連通性更好的網(wǎng)狀裂紋。

    需要特別指出的是,頁巖是一種典型的橫觀各向同性介質(zhì),正如賈長貴等[17]認(rèn)為,角度對頁巖的力學(xué)特性具有重要影響。本次中僅僅選取了水平層理的試樣進(jìn)行試驗(yàn),即便如此,考慮到我國頁巖研究及頁巖氣的開發(fā)尚處于起步階段,本文作為一項(xiàng)積極的探索和嘗試,已表明頁巖屬于一種具有較強(qiáng)應(yīng)變速率的巖體,在彈性模量和峰值強(qiáng)度上均表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的應(yīng)變率效應(yīng),破裂形態(tài)上更是受到應(yīng)變速率的顯著影響。

    6 結(jié) 論

    (1)頁巖屬于典型的脆性巖體,具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。不同應(yīng)變速率下頁巖的壓密階段、彈性參數(shù)和破裂方式均表現(xiàn)出較明顯差異。

    (2)不同應(yīng)變速率下破裂方式差別較大,具體表現(xiàn)為較高應(yīng)變率下以劈裂成大塊為主,隨應(yīng)變率降低,逐漸過渡為“劈裂-剪切”破壞,而在較低應(yīng)變率時(shí),試樣呈現(xiàn)縱橫裂紋交錯(cuò)的破裂形態(tài)。

    (3)彈性模量和峰值強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的下降而下降,但下降的速度逐漸放緩,應(yīng)變速率對頁巖表現(xiàn)一定的強(qiáng)化效應(yīng)。2 個(gè)參數(shù)的平均值與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)都比較符合冪函數(shù)的關(guān)系,且彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)更明顯。

    (4)較低應(yīng)變率下頁巖破裂后形成縱橫分布的裂紋網(wǎng),較低的壓裂速率可能有助于在儲層中形成縱橫交錯(cuò)、細(xì)小密集的裂紋網(wǎng)。

    應(yīng)變率對頁巖的力學(xué)特性的影響是不可忽略的,其重要性可能僅次于傾角的影響。因此,在以后的工作中,還會進(jìn)一步加強(qiáng)不同傾角、不同應(yīng)力狀態(tài)(三軸壓縮、壓裂)以及更多應(yīng)變速率的試驗(yàn)研究。

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