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)

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)

1　概述

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　樣品與實(shí)驗(yàn)方法

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　結(jié)果和討論

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。

4　結(jié)論

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。

[1]楊列林.頁(yè)巖氣對(duì)國(guó)際能源品需求的影響及我國(guó)的發(fā)展對(duì)策[J].中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2014(4)：117-121.

[2]KAHRAMAN S，ALTINDAG R.A Brittleness Index to Esti?mate Fracture Toughness[J].International Journal of Rock Me?chanics and Mining Sciences，2004，41(2)：343-348.

[3]王啟福，鮮學(xué)福.巖石三點(diǎn)彎曲圓梁斷裂韌性KIC的測(cè)試研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1992,15（5）：101-106.

[4]張盛，王啟智.用5種圓盤試件的劈裂試驗(yàn)確定巖石斷裂韌性[J].巖土力學(xué)，2009，30（1）：12-18.

[5]杜新民，關(guān)振鐸.山形切口短棒法測(cè)定KIC值的現(xiàn)狀[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，1988，3（2）：161-168.

[6]陳治喜，陳勉，金衍，等.水壓致裂法測(cè)定巖石的斷裂韌性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1997，16（1）：59-64.

[7]張盛，李小軍，李大偉.巖石Ⅰ型斷裂韌度測(cè)試技術(shù)和理論研究綜述[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28（1）：33-38.

[8]ISRM(Ouehterofny F—Coordinator),Suggested Method for De?termining the Fracture Toughness of Rock，Int.J.Rock mech.Sci. &Gocmoch.Abstr.1988,25(2):71-96.

[9]ISRM Testing Commission，(Coordinator:Fowell R J).Suggest?ed Method for Determining Mode I Fracture Toughness Using Cracked Chevron Notched Brazilian disc(CCNBD)Specimens [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci?ences,1995,32:57-64.

[10] 吳禮舟，賈學(xué)明，王啟智.CCNBD斷裂韌度試樣的SIF新公式和在尺度律分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2004，25(2): 233-237.

[11]廖東良，肖立志，張?jiān)?基于礦物組分與斷裂韌度的頁(yè)巖地層脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(4):37-42.

[12]石林.泥巖斷裂韌性的測(cè)試及其與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系[C]//中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集，2002：114-116.

[13]徐世烺，趙國(guó)藩，劉毅，等.混凝土斷裂韌度的尺寸效應(yīng)[J].工業(yè)建筑，1991(12):21-25.

[14]吳禮舟，王啟智，賈學(xué)明.用人字形切槽巴西圓盤(CCNBD)確定巖石斷裂韌性及其尺度律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(3)：383-390.

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。