單軸壓縮下頁(yè)巖力學(xué)特性的各向異性試驗(yàn)研究

張永澤 劉俊新， 冒海軍 霍 亮 侯振坤

(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. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢430071;3. 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400044)

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)能源，儲(chǔ)量巨大，有廣闊的開(kāi)采前景。美國(guó)能源信息署(EIA)評(píng)估數(shù)據(jù)顯示:當(dāng)前全球擁有頁(yè)巖氣資源187 ×1012m3，其中我國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采儲(chǔ)量為36.08 ×1012m3，位居世界第一。因此，加快對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)的研究具有十分重要的工程意義，然而頁(yè)巖是沉積巖，具有明顯的層理結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，這些特征對(duì)水力壓裂優(yōu)化問(wèn)題和井壁失穩(wěn)問(wèn)題具有較大影響［1］。為了實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)采，迫切需要開(kāi)展頁(yè)巖的各向異性特征試驗(yàn)，分析其不同傾角下的力學(xué)性質(zhì)，這對(duì)解決頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中的水力壓裂問(wèn)題和井壁失穩(wěn)問(wèn)題具有很重要的實(shí)際工程意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖的各向異性做了許多研究。J. C. Jaeger 等［2］通過(guò)對(duì)層狀巖體的彈性參數(shù)進(jìn)行各向異性的試驗(yàn)和理論分析，提出了橫貫各向同性巖體的理論準(zhǔn)則。席道瑛等［3］從橫貫各向同性理論出發(fā)，對(duì)砂巖的彈性波波速、靜動(dòng)態(tài)彈性模量和靜動(dòng)態(tài)泊松比進(jìn)行了研究，并指出了各參數(shù)均遵循橫貫各向同性材料的近似橢圓變化規(guī)律。Jung － Woo Cho等［4］通過(guò)不同角度下頁(yè)巖和片巖的單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，研究了頁(yè)巖和片巖的彈性參數(shù)以及強(qiáng)度的各向異性。高春玉等［5］研究了砂板巖力學(xué)特性的各向異性，并分析了層理傾角對(duì)巖石變形特性、強(qiáng)度特征及其參數(shù)的影響。劉運(yùn)思等［6］通過(guò)不同層理方向的巴西劈裂試驗(yàn)，分析了破壞模式、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的各向異性。冒海軍等［7］研究了結(jié)構(gòu)面對(duì)板巖力學(xué)特性的影響，得出板巖的破壞形式隨結(jié)構(gòu)面的變化而不同，總體上可以產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面滑移、剪切和復(fù)合破壞等3 種破壞形式。H. Niandou等［8］對(duì)Tournemire 頁(yè)巖進(jìn)行了研究，并分析了Tournemire 頁(yè)巖的力學(xué)各向異性。

以上學(xué)者等對(duì)頁(yè)巖或者具有層理結(jié)構(gòu)的巖石進(jìn)行了眾多研究，除此之外，Donath 等［9-10］、Niandou等［8］對(duì)頁(yè)巖和板巖進(jìn)行了試驗(yàn)研究，周大千［11］對(duì)砂巖和油頁(yè)巖進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這些研究使得人們對(duì)頁(yè)巖的各向異性有了一定的了解，但是，由于頁(yè)巖處于一種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，因此想要更進(jìn)一步了解頁(yè)巖的各種特性，還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更多的室內(nèi)試驗(yàn)。本研究從單軸試驗(yàn)出發(fā)，系統(tǒng)地研究了頁(yè)巖的物理力學(xué)參數(shù)、破壞模式等，為頁(yè)巖氣的開(kāi)采工作提供了必要的理論支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試樣取自重慶彭水志留系龍馬溪組頁(yè)巖區(qū)塊的新鮮露頭，取樣方法如下:先從同一大塊頁(yè)巖上鉆取直徑150 mm 的長(zhǎng)柱巖芯，再?gòu)拈L(zhǎng)柱巖芯上鉆取傾角不同小巖芯，這樣對(duì)與裂隙發(fā)育和較松散的巖層，可以避免巖樣受外力作用而改變其物理力學(xué)性質(zhì)。這些小巖芯的取樣方向與層理面角度θ 分別成0°、22.5°、45°、67.5°和90°，如圖1 所示。

圖1 試樣層理面角度示意Fig.1 The angles of sample bedding plane

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT－150C 巖石力學(xué)機(jī)上進(jìn)行的，采用位移控制，加載速率為0.001 mm/s;聲波測(cè)試采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所智能儀器室研制的RSM －SY6 型非金屬超聲波檢測(cè)儀，其試驗(yàn)誤差可控制在0.5%以?xún)?nèi)，試驗(yàn)時(shí)采用直達(dá)波法，換能器布置在試樣兩端面中心，接觸面采用超聲波耦合劑耦合，使用縱波采樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

本次試驗(yàn)采用德國(guó)Bruker AXS D8 －Focus X 射線衍射儀對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖的礦物組分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁(yè)巖主要以石英等脆性礦物和黏土類(lèi)礦物為主，其中石英含量最高，可達(dá)51%，加上鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等脆性礦物后含量可達(dá)61.4%，屬于可壓性較高儲(chǔ)層，較適合水力壓裂。黏土類(lèi)礦物含量為32.4%，其余礦物含量為6.2%。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頁(yè)巖礦物含量分析結(jié)果Table 1 Mineral content analysis of shale

采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所Quanta 250 掃描電子顯微鏡對(duì)頁(yè)巖的巖芯進(jìn)行掃描，為了使得頁(yè)巖的各向異性具有更好的對(duì)比性，選取了與層理面成0°和90°的巖芯進(jìn)行電鏡掃描，放大倍數(shù)為2 000倍。掃描結(jié)果如圖2 所示。

通過(guò)對(duì)比可以看出，在垂直于層理面方向(θ =90°)，存在明顯的孔隙和微裂縫，見(jiàn)圖2(a)中圓圈標(biāo)注內(nèi)。這些孔隙和微裂縫易形成生烴超壓裂縫，為頁(yè)巖氣的開(kāi)采提供通道。在平行于層理面方向(θ =0°)，各種礦物顆粒排列較為規(guī)則，孔隙和微裂縫不發(fā)育。由此可見(jiàn)，頁(yè)巖的各向異性是其本身的固有特征，在其沉積過(guò)程中就已經(jīng)形成。

2.2 不同層理面方向的單軸壓縮試驗(yàn)分析

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線各向異性分析

應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3 所示。

圖2 頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure analysis figure of shale

分析圖3 應(yīng)力－應(yīng)變曲線，主要可以得出以下結(jié)論。

圖3 單軸壓縮下頁(yè)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of shale under uniaxial compression

(1)該應(yīng)力－應(yīng)變曲線屬于Ⅱ類(lèi)曲線，在應(yīng)力較低時(shí)，無(wú)明顯的壓密階段，應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似于直線;當(dāng)應(yīng)力增加到峰值強(qiáng)度后，試樣突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性。

(2)峰值過(guò)后，應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為波浪型，甚至在未達(dá)到峰值時(shí)，曲線就已表現(xiàn)出該特征，這說(shuō)明由于層理面的存在，使得不同層理角度的試樣表現(xiàn)出不同的破壞模式，具體分析見(jiàn)2.2.2 節(jié)破壞模式分析一節(jié)。

(3)隨著層理面角度的不同，頁(yè)巖表現(xiàn)出不同的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等。

2.2.2 頁(yè)巖破壞模式各向異性分析

頁(yè)巖破壞模式如圖4 所示。

圖4 頁(yè)巖典型破壞形態(tài)圖Fig.4 Typical failure pattern of shale

頁(yè)巖作為一種具有層理結(jié)構(gòu)的脆性巖石，隨著層理面角度的不同，其破壞模式表現(xiàn)出了明顯的各向異性。

(1)當(dāng)巖芯方向與層理面夾角θ =0°時(shí)，破壞模式是沿著層理面的張拉破壞。破壞時(shí)，試樣形成了多個(gè)平行于層理面的張拉破壞面，這是因?yàn)樵谳S向加載時(shí)，試樣軸向壓縮徑向擴(kuò)張而產(chǎn)生拉應(yīng)力，層理面膠結(jié)程度較弱，從而形成多個(gè)平行于層理面的張拉破壞面。

(2)當(dāng)θ=22.5°時(shí)，破壞模式是沿著層理面的剪切破壞和平行于軸向方向的張拉破壞。這是因?yàn)樵谳S向加載時(shí)，由于層理面的存在，在軸向受到壓縮形成張拉破壞裂縫的同時(shí)，試樣還沿著層理面滑移，形成了沿著層理面的剪切破壞。

(3)當(dāng)θ=45°時(shí)，破壞模式是沿著層理面的單一剪切破壞。這是因?yàn)樵谳S向加載時(shí)，試樣直接沿著層理面出現(xiàn)了滑移，形成了沿著層理面的單一剪切破壞。

(4)當(dāng)θ=67.5°時(shí)，破壞模式是沿著層理面和貫穿層理面的復(fù)雜剪切破壞。這是因?yàn)樵谳S向加載時(shí)，試樣會(huì)在兩端形成大角度的初始剪切裂縫，而在這些裂縫擴(kuò)展的過(guò)程中貫穿了層理面，同時(shí)由于層理面的抗剪能力較低，最終形成了沿著層理面和貫穿層理面的復(fù)雜剪切破壞。

(5)當(dāng)θ=90°時(shí)，破壞模式是貫穿層理面的張拉破壞。這是因?yàn)樵谳S向壓縮時(shí)，試樣軸向變形受到抑制，試樣會(huì)沿著徑向方向擴(kuò)張，最終在試樣內(nèi)部形成了貫穿層理面的張拉破壞。

2.3 頁(yè)巖物理力學(xué)參數(shù)各向異性分析

頁(yè)巖是沉積巖，礦物顆粒的擇優(yōu)取向?qū)е马?yè)巖的物理力學(xué)性能具有明顯的各向異性。各參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Uniaxial compression test parameters of shale

2.3.1 縱波波速各向異性分析

頁(yè)巖縱波波速隨層理面角度變化如圖5 所示。

圖5 縱波波速隨層理面角度變化Fig.5 Longitudinal wave velocity changes with the bedding plane

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖縱波波速的測(cè)試，可以了解頁(yè)巖波速的各向異性，為彈性波波速測(cè)試法提供可靠的保證。從圖5 可以看出:當(dāng)θ=0°時(shí)，縱波波速最大，達(dá)到了4 517 m/s;而當(dāng)θ=90°時(shí)，縱波波速最小，僅為4 209 m/s。隨著層理面角度的增加，縱波波速整體呈逐漸降低之態(tài)。

2.3.2 單軸抗壓強(qiáng)度各向異性分析

頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度隨層理面角度變化如圖6 所示。

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度隨層理面角度變化Fig.6 Uniaxial compressive strength changes with the bedding plane

由圖6 可知:單軸壓縮時(shí)，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度在θ=0°或90°時(shí)最高，在θ =45°時(shí)最低，整體呈現(xiàn)兩邊高、中間低的“U”型變化規(guī)律;受層理面的影響，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出了明顯的各向異性，這和破壞模式密切相關(guān)。當(dāng)θ=0°或90°時(shí)，試樣主要以張拉破壞為主，試樣出現(xiàn)破壞特征以后，平行于層理面的張拉裂縫并未使試樣在軸向方向失穩(wěn)，試樣此時(shí)仍然可以繼續(xù)受壓;當(dāng)θ =22.5°或45°時(shí)，試樣主要以剪切破壞為主，試樣一旦出現(xiàn)破壞特征后，立即沿層理面滑移，因此所能承受的壓力較低。對(duì)于θ =67.5°，雖然試樣破壞時(shí)也表現(xiàn)出一定的剪切破壞，不過(guò)試樣并不會(huì)沿著層理面滑移，因此其抗壓強(qiáng)度介于兩者之間。

2.3.3 彈性模量各向異性分析

頁(yè)巖彈性模量隨層理面角度變化如圖7 所示。

圖7 彈性模量隨層理面角度變化Fig.7 Elastic modulus changes with the bedding plane

由圖7 可以看出，隨著層理面角度的增加，彈性模量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，即平行于層理面方向頁(yè)巖彈性模量最大，垂直于層理面方向彈性模量最小。之所以出現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)是因?yàn)閺椥阅Ａ渴潜碚骶w中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，當(dāng)θ =0°時(shí)，由電鏡掃描圖片可以看出頁(yè)巖中各種礦物顆粒排列較為規(guī)則，而且在壓縮過(guò)程中，由于平行于層理面方向的試樣無(wú)明顯的孔隙與微裂縫，使得其壓縮變形比較小，因此彈性模量較大;當(dāng)θ =90°時(shí)，頁(yè)巖中各種礦物顆粒排列雜亂無(wú)章，孔隙和微裂縫較為發(fā)育，使得其壓縮變形比較大，故彈性模量較小。

2.3.4 泊松比各向異性分析

頁(yè)巖泊松比隨層理面角度變化如圖8 所示。

圖8 泊松比隨層理面角度變化Fig.8 Poisson ratio changes with the bedding plane

由圖8 可知，泊松比隨層理面出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，這可能與層理面孔隙與微裂縫發(fā)育、軸向加載方向與層理面之間的夾角有關(guān)。當(dāng)θ =0°時(shí)，層理面平行于軸向加載方向，軸向變形較小，徑向變形較大，故泊松比較大;對(duì)于θ=22.5°、45°來(lái)說(shuō)，由于在軸向加載時(shí)，在軸向方向試樣會(huì)沿著層理面滑移，使得試樣在軸向方向變形明顯增大，導(dǎo)致其泊松比變小;而當(dāng)θ=67.5°、90°時(shí)，雖然試樣不會(huì)沿著層理面滑移，但是在軸向壓縮過(guò)程中，由于試樣中孔隙與微裂縫會(huì)受到壓密，致使軸向變形稍大于在0°時(shí)，因此其泊松比介于兩者之間。

3 結(jié) 論

(1)在垂直于層理面方向(θ=90°)，存在明顯的孔隙和微裂縫;在平行于層理面方向(θ =0°)，各種礦物顆粒排列較為規(guī)則，孔隙和微裂縫不發(fā)育。

(2)頁(yè)巖的各向異性是其本身的固有特征，在其沉積過(guò)程中就已經(jīng)形成。

(3)應(yīng)力－應(yīng)變曲線屬于Ⅱ類(lèi)曲線，無(wú)明顯的壓密階段，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試樣突然發(fā)生破壞，脆性較強(qiáng)。

(4)其破壞模式主要表現(xiàn)為3 種:平行于層理面的張拉破壞、沿著層理面的剪切破壞、貫穿層理面的張拉破壞。

(5)頁(yè)巖的縱波波速隨著層理面角度的增加而減小;抗壓強(qiáng)度在θ=0°或90°時(shí)最高，在θ=45°時(shí)最低，整體呈現(xiàn)兩邊高、中間低的“U”型變化規(guī)律;隨著層理面角度的增加，彈性模量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì);泊松比隨層理面出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)。

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