梁利喜,何順平,張安東
(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)
CCNBD試樣測(cè)試頁(yè)巖Ⅰ型斷裂韌性
梁利喜*,何順平,張安東
(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)
斷裂韌性對(duì)頁(yè)巖壓裂作業(yè)及裂縫形態(tài)有很大的影響。采用1995年ISRM推薦的人字形切槽巴西圓盤(CCNBD)試件對(duì)龍馬溪組和五峰組頁(yè)巖進(jìn)行I型斷裂韌性測(cè)試,得出其斷裂韌性值在0.8~1.2之間,通過(guò)巖芯照片結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其破壞斷裂機(jī)制。并對(duì)兩層組頁(yè)巖進(jìn)行了X射線衍射全巖分析,分析了頁(yè)巖組分與斷裂韌性間關(guān)系。對(duì)比了龍馬溪組兩種不同尺寸巖樣的斷裂韌性,分析其尺寸效應(yīng)。
頁(yè)巖;斷裂韌性;尺寸效應(yīng);人字形切槽巴西圓盤(CCNBD)
我國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣資源,加大頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)對(duì)緩解能源供應(yīng)壓力、改善能源結(jié)構(gòu)有很大助益[1]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低滲致密、天然裂縫發(fā)育等特征,在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需進(jìn)行大量的水力壓裂。壓裂過(guò)程中的水力裂縫的起裂和延伸受頁(yè)巖自身的斷裂韌性影響,當(dāng)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或者超過(guò)頁(yè)巖的斷裂韌性值時(shí),裂縫開(kāi)始擴(kuò)展[2]。在3種斷裂中,巖石類材料主要以Ⅰ型斷裂即張開(kāi)型斷裂為主,研究頁(yè)巖Ⅰ型斷裂韌性對(duì)定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性有重要作用。
近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)I型斷裂韌性測(cè)試作了大量研究。目前用于測(cè)試巖石的斷裂韌性的測(cè)試方法主要有三點(diǎn)彎曲法、圓盤法、短棒法、水壓致裂法等[3-6]。針對(duì)巖石試樣中不易預(yù)制尖銳裂紋,裂紋長(zhǎng)度也難以測(cè)量,因此不能直接套用比較成熟的用于金屬材料的測(cè)試規(guī)范,而必須發(fā)展特殊的試件和方法。同時(shí),國(guó)際上的巖石斷裂專家共同提出用V形切口試樣進(jìn)行Ⅰ型斷裂試驗(yàn)[7]。它的優(yōu)點(diǎn)在于試件不需要預(yù)裂,也不需要測(cè)定裂紋長(zhǎng)度。1988年,IS?RM推薦了用V型切口的三點(diǎn)彎曲圓棒試樣(CB)和短棒試樣(SR)來(lái)測(cè)試巖石的斷裂韌性[8]。1995年,人字形切槽巴西圓盤試樣(CCNBD)成為最新的ISRM推薦采用的用于測(cè)試巖石斷裂韌性的試樣[9]。巴西圓盤試樣在很多方面優(yōu)于1988年建議方法中的CB和SR試樣:它體積小,有較高的臨界載荷,試樣加載方便,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求不高,允許較大的試樣加工誤差,實(shí)驗(yàn)程序及過(guò)程簡(jiǎn)單。
本文即采用易于加工和測(cè)試的人字形切槽巴西圓盤試樣,該試樣能充分考慮頁(yè)巖的特性,人字形切口可以確保裂紋從尖端部位開(kāi)裂引發(fā)Ⅰ形裂紋,且有利于裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展,可用于較精確地測(cè)試巖石的斷裂韌性。文中針對(duì)不同直徑、不同地區(qū)的頁(yè)巖巖芯,測(cè)試其Ⅰ型斷裂韌性值KIC,分析該頁(yè)巖的斷裂力學(xué)特性,討論了該試樣類型斷裂機(jī)制,分析了斷裂韌性值與對(duì)應(yīng)組分間關(guān)系。
2.1樣品
頁(yè)巖巖芯取自四川盆地的下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)和上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)露頭巖芯,其中龍馬溪組頁(yè)巖采自于四川長(zhǎng)寧,五峰組頁(yè)巖采自于重慶。巖芯鉆取方向?yàn)榇怪庇趯永矸较?。在制作試樣進(jìn)行測(cè)試前,先采集兩層組部分巖芯,將其研磨成粒徑100目左右的粉末進(jìn)行X-射線衍射(XRD)測(cè)量。測(cè)量采用PANa?lytical公司的X-射線衍射儀測(cè)量,其結(jié)果如圖1所示。
從圖1中可以看到,兩層組巖石的主要礦物成分及含量差別不大,其主要礦物成分均為石英和粘土礦物,其中石英含量均超過(guò)60%。此外從圖1中還可以看出,龍馬溪組的粘土礦物較低,而五峰組的石英含量較低。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
將兩層組頁(yè)巖制作成試樣進(jìn)行測(cè)試,試樣直徑為50mm,其中龍馬溪組頁(yè)巖6塊,五峰組巖芯4塊??紤]到圓盤試樣存在尺寸效應(yīng),對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖再制作3塊直徑為75mm的圓盤試樣進(jìn)行測(cè)試。試樣的直徑與厚度比例為5∶2,均按照ISRM建議的巖石斷裂韌性測(cè)試方法[4]的尺寸要求加工(圖2)。
圖1 頁(yè)巖中礦物百分含量
圖2 CCNBD試樣
將試樣圖中所有的幾何參數(shù)轉(zhuǎn)化為關(guān)于巖樣半徑和直徑的無(wú)量綱參數(shù)。換算關(guān)系如下:
為了保證測(cè)試結(jié)果有效,所選參數(shù)必須滿足下列限制:
實(shí)驗(yàn)采用的試驗(yàn)機(jī)型號(hào)是MTS伺服剛性控制試驗(yàn)機(jī),其剛度滿足巖石斷裂韌性要求。試樣的加載方式是沿平行于人字形切槽方向在兩端施加集中載荷(圖2),采用恒定位移控制對(duì)試樣加載,載荷速度通過(guò)加載點(diǎn)位移速度進(jìn)行控制,位移加載速率為0.5mm/min,利用試驗(yàn)機(jī)配套的伺服系統(tǒng)軟件自動(dòng)采集不同時(shí)間點(diǎn)的載荷、變形等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中采用較低的加載速率既有利于裂紋沿預(yù)制裂紋面穩(wěn)定擴(kuò)展,又利于裂紋尖端非線性斷裂過(guò)程區(qū)的充分發(fā)展,且有利于測(cè)得更有效的斷裂韌性值。
根據(jù)ISRM建議測(cè)試方法,CCNBD試樣斷裂韌性計(jì)算公式為:
式中:KIC——Ⅰ型斷裂韌性值,MPa·m1/2;
Pmax——最大破壞載荷值,kN;
D——試樣直徑,cm;
B——試樣厚度,cm;
Y?min——試樣的無(wú)量綱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,僅由巖樣的幾何參數(shù)α0、α1和αB決定。
3.1斷裂韌性測(cè)試結(jié)果
吳禮舟、王啟智[10]等對(duì)ISRM建議測(cè)試方法應(yīng)力強(qiáng)度因子重新標(biāo)定,給出了Y*min值與α0、αB的關(guān)系,通過(guò)線性插值查表獲得Y*min,則可以由測(cè)試獲得Pmax由式(1)計(jì)算KIC。其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。
圖3 頁(yè)巖Ⅰ型斷裂韌性
3.2CCNBD斷裂機(jī)制分析
實(shí)驗(yàn)時(shí),沿中心預(yù)制裂縫方向在兩端施加集中載荷,軸向壓縮變形會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的橫向拉伸變形,在韌帶區(qū)逐漸積聚彈性應(yīng)變能。應(yīng)變能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為橫向拉張應(yīng)力作用,該拉張應(yīng)力就是韌帶區(qū)局部應(yīng)力分布中的最大主應(yīng)力。由于尖端應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力并非均勻分布,而是在人字形裂紋尖端部位達(dá)到最大的拉張應(yīng)力。當(dāng)人字形裂紋端部拉張應(yīng)力達(dá)到巖石最大抗拉強(qiáng)度時(shí),造成裂紋起裂。裂紋起裂后彈性應(yīng)變能迅速釋放造成裂紋面急劇擴(kuò)展,導(dǎo)致巖石破裂。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄下試件的載荷—位移曲線如圖4所示。
圖4 巴西圓盤試件載荷—位移曲線
從圖4的載荷—位移曲線中觀察,大致可以將其分為3個(gè)階段。OA段,人字形切槽韌帶尖端微裂紋產(chǎn)生及其非線性變形階段,這一段曲線較長(zhǎng),表明CCNBD試樣人字形韌帶尖端有較長(zhǎng)的非線性斷裂過(guò)程區(qū);AB段基本呈線性發(fā)展,表示微裂紋線彈性擴(kuò)展變形階段,該段曲線反映了微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展成核的過(guò)程;BC段表示主裂紋急劇擴(kuò)展貫通直至破碎階段,實(shí)驗(yàn)時(shí)伴隨有大的破碎聲響,部分碎塊崩裂,反映了過(guò)程區(qū)非線性擴(kuò)展后的主裂紋貫通失穩(wěn)過(guò)程。曲線表現(xiàn)出破壞前巖芯成彈性變形,峰值強(qiáng)度后急劇降低的脆性特征。
有別于其他巖石,頁(yè)巖層理發(fā)育、內(nèi)部含大量微裂縫,其非均質(zhì)性強(qiáng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,同一地區(qū)頁(yè)巖,在尺寸大小相同、預(yù)制裂紋長(zhǎng)度差異不大的情況下,KIC值也會(huì)有一定的偏差,其斷裂韌性值在0.8~1.2之間。從照片上顯示,裂縫大致沿預(yù)制裂縫方向發(fā)展,但起裂方向往往與預(yù)制裂紋方向有一定的夾角,分析其原因,可能在加工裂紋時(shí)對(duì)巖樣有所破壞,使預(yù)制裂紋周圍各向異性增強(qiáng);同時(shí),采用壓致拉裂的方式加載,在產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力的同時(shí),也可能在面內(nèi)產(chǎn)生一定的剪切作用;頁(yè)巖層理發(fā)育,也會(huì)對(duì)裂縫延伸產(chǎn)生影響。在這些因素的共同作用下,可能會(huì)使裂紋發(fā)生一定的偏移。在裂紋擴(kuò)展到近端部時(shí),部分巖樣上出現(xiàn)裂紋分叉現(xiàn)象,裂紋繼續(xù)擴(kuò)展直至破壞。在裂紋擴(kuò)展同時(shí)對(duì)比照片及其對(duì)應(yīng)斷裂韌性值,發(fā)生裂紋分叉巖樣其斷裂韌性值較高。其原因在與裂紋在分叉過(guò)程中會(huì)消耗更多的斷裂能。此外,在裂紋擴(kuò)展到端部時(shí),部分巖樣上產(chǎn)生了次生裂紋。這是由于CCNBD試樣的主裂紋面迅速擴(kuò)展貫通破裂后為韌帶附近區(qū)域卸荷拉張應(yīng)力作用提供了空間,峰值載荷后軸向壓應(yīng)力驟降轉(zhuǎn)而集中在主裂紋面附近區(qū)域,這些因素最終導(dǎo)致端部次生裂紋。斷裂的裂縫面彎曲、粗糙,從人字形尖端至下,斷面粗糙度呈增大的趨勢(shì),也反映出頁(yè)巖的非均質(zhì)性強(qiáng)。
3.3頁(yè)巖礦物組成與斷裂韌性關(guān)系
分析圖1中兩地區(qū)頁(yè)巖礦物組分:兩地區(qū)巖石的主要礦物成分及含量差別不大,這也進(jìn)一步佐證了兩地區(qū)頁(yè)巖斷裂韌性值相近的結(jié)果。兩地區(qū)石英含量高,從組成上也可認(rèn)為兩地區(qū)巖石的脆性很強(qiáng),這與試驗(yàn)中巖芯發(fā)生脆性斷裂一致;相比較而言,龍馬溪組的粘土礦物較低,石英含量較高。根據(jù)ISRM提供的不同礦物的斷裂韌性數(shù)據(jù)[11]可知:石英的斷裂韌性為0.24 MPa·m1/2,方解石的斷裂韌性為0.79MPa·m1/2,伊利石、蒙脫石和綠泥石的斷裂韌性為2.19MPa·m1/2。即可以認(rèn)為石英含量越高,則其斷裂韌性應(yīng)越小;粘土礦物含量越高,斷裂韌性值越大。對(duì)比兩地區(qū)直徑50mm圓盤巖樣的平均斷裂韌性,龍馬溪組頁(yè)巖斷裂韌性均值為0.99MPa·m1/2,五峰組頁(yè)巖斷裂韌性為0.97MPa·m1/2,龍馬溪組頁(yè)巖斷裂韌性比五峰組高。其原因主要為兩地區(qū)石英含量差異不大,而對(duì)比兩地區(qū)總礦物組成中的粘土礦物含量,五峰組要高出10%以上,隨粘土礦物含量的增加,頁(yè)巖的斷裂韌性值下降。這一特性與石林[12]的研究結(jié)果相一致。
3.4尺寸效應(yīng)
通過(guò)圓盤法測(cè)試巖樣斷裂韌性時(shí),試樣尺寸大小不同,其斷裂韌性值也會(huì)有所差別,即存在尺寸效應(yīng)。徐世烺[13]等采用三點(diǎn)彎曲試樣對(duì)不同尺寸的混凝土進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試,其測(cè)試試樣體積增大27倍,KIC增大了47.54%。吳禮舟[14]等用直徑77mm和108mm大理石CCNBD試件進(jìn)行測(cè)試,其KIC均值增大了8%。頁(yè)巖具有高度的非均質(zhì)性和各向異性,當(dāng)試樣尺寸變化時(shí),其斷裂韌性值也會(huì)有所變化。本文中通過(guò)對(duì)龍馬溪組2種不同尺寸巖樣(較小圓盤大小為直徑50mm、厚度20mm,較大圓盤大小為直徑75mm、厚度30mm)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比其斷裂韌性值。從整體結(jié)果上看,大尺寸巖樣測(cè)試的斷裂韌性值較集中,實(shí)驗(yàn)后無(wú)明顯的裂縫分叉、端部次生裂縫等現(xiàn)象。因此,通過(guò)觀察照片,選出斷裂時(shí)破壞情況較一致的巖芯進(jìn)行對(duì)比,其斷裂韌性值如下。其中,S1l-1、S1l-4、S1l-6為較小圓盤,S1l-12、S1l-13、S1l-17為較大圓盤。
圖5 不同尺寸巖樣斷裂韌性值
從圖5可以看出:斷裂韌性值隨試件尺寸增大而略有增加,計(jì)算2種大小試樣斷裂韌性平均值,50mm× 20mm試樣為0.87,75mm×30mm試樣為0.93,大尺寸試樣與小尺寸試樣相比,其斷裂韌性值增幅為6.8%。與三點(diǎn)彎曲試樣相比,其增幅較小,即CCNBD試樣尺寸效應(yīng)比三點(diǎn)彎曲試樣小;與其他巖石試樣相比增幅較小,可能是隨尺寸的增大,試樣中包含的微裂縫及試樣層理面也相應(yīng)增加,從而使裂縫更易擴(kuò)展。
用人字形切槽巴西圓盤法測(cè)試分析頁(yè)巖I型斷裂韌性,并與其組分對(duì)比,可以得出以下結(jié)論:
(1)人字形切槽巴西圓盤法能較好地測(cè)試頁(yè)巖斷裂韌性,通過(guò)測(cè)試,兩層組頁(yè)巖斷裂韌性大致分布在0.8~1.2之間,且兩層組斷裂韌性均值相近;
(2)頁(yè)巖斷裂形式較復(fù)雜,裂縫擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出裂縫方向偏斜、裂縫分叉、在端部出現(xiàn)次生裂紋等情況,斷面粗糙;
(3)通過(guò)全巖分析,兩層組礦物組成相近,其斷裂韌性值也相近。從成分上來(lái)說(shuō),石英含量越高,粘土含量越低,斷裂韌性值越??;
(4)頁(yè)巖斷裂韌性也具有尺寸效應(yīng),隨試樣尺寸增大,巖樣斷裂韌性有所增大,但增幅較小。
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TE14
A
1004-5716(2016)11-0041-04
2015-12-31
2016-01-08
梁利喜(1976-),男(漢族),河南新鄉(xiāng)人,講師,現(xiàn)從事井眼穩(wěn)定技術(shù)、巖石物理與巖石力學(xué)、石油工程測(cè)井的教學(xué)與研究工作。