四川盆地焦石壩區(qū)塊深部頁巖力學(xué)特性試驗研究*

汪 虎 郭印同 張 萍 王 磊 侯振坤

WANG Hu①② GUO Yintong① ZHANG Ping③ WANG Lei① HOU Zhenkun③

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四川盆地焦石壩區(qū)塊深部頁巖力學(xué)特性試驗研究*

汪 虎①②郭印同①張 萍③王 磊①侯振坤③

為深入研究不同埋深頁巖儲層的力學(xué)性質(zhì)，對四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組平行層理取心試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，總結(jié)了取樣區(qū)段頁巖試樣的力學(xué)特性、強度規(guī)律以及破壞特征。實驗及分析結(jié)果表明：該區(qū)塊頁巖呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征，破壞形式以劈裂破壞為主、伴隨部分或局部剪切破壞，并細(xì)分5種單軸壓縮條件下的基本破壞形式； 頁巖抗壓強度隨埋深增加整體上呈現(xiàn)出兩端低中間高的現(xiàn)象； 隨取心角度的增大，變形參數(shù)和抗壓強度總體上均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢； 對比分析了頁巖試樣力學(xué)參數(shù)的橫向和縱向異性度，彈性模量和泊松比的橫向及縱向異性度均在1.50附近，抗壓強度的異性度顯著高于彈性模量和泊松比的異性度； 層理的影響是導(dǎo)致頁巖強度及破壞方式差異性的主要原因之一，層理面在一定程度可以決定巖體的強度及破壞方式； 水力壓裂過程中，橫向異性度大的層理面首先被打開，導(dǎo)致壓裂通道沿層理面擴展，難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)不到理想的壓裂效果，在施工過程中要避免此類層理面被打開。

深部頁巖 層理 力學(xué)性質(zhì) 不同埋深 破壞方式

WANG Hu①②GUO Yintong①ZHANG Ping③WANG Lei①HOU Zhenkun③

0 引 言

近年來，隨著地下勘探技術(shù)不斷提高，儲藏于地下巖層中的頁巖氣等非常規(guī)能源的開發(fā)逐漸進(jìn)入人們的視野。頁巖氣是一種蘊藏于頁巖層可供開采的天然氣資源，未來可廣泛應(yīng)用的新能源(張金川等， 2004)。據(jù)了解，美國頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)利用，對提高國家能源安全、降低能源對外依存度和緩解天然氣供應(yīng)不足等方面均起到積極作用。

我國的頁巖氣可采儲量居世界首位，而相關(guān)勘探開發(fā)和開采仍處于試點階段，為加快頁巖氣的開采步伐，迫切需要開展頁巖儲層相關(guān)力學(xué)性質(zhì)試驗。頁巖在沉積過程中受晶體顆粒定向排列作用，呈現(xiàn)顯著的層理結(jié)構(gòu)特點(Vernik et al.，1992; Johnston et al.，1995)，因地質(zhì)改造處于復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境中，埋深和溫度因素等作用，使得其表現(xiàn)出差異性特征(Vanorio et al.，2008; 肖正輝等， 2012)。研究表明，頁巖的微觀結(jié)構(gòu)、聲波信號和巖電參數(shù)等均存在不同程度的各向異性(Walter Konhaeuser.，2006； Wang et al.，2012)。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對頁巖儲層力學(xué)特性、強度特征和破裂模式等進(jìn)行了很多實驗和理論方面的研究。Jaeger et al.(1960)， Taliercio et al.(1988)， Ramamurthy et al.(1993)， Tien et al.(2001)， Nasseri et al.(2003)對層狀巖體彈性參數(shù)的各向異性進(jìn)行研究，建立了橫觀各向同性巖體的破壞準(zhǔn)則。.Lo et al.(1986)研究了不同圍壓下Chicopee 頁巖彈性各向異性，得到頁巖內(nèi)部礦物顆粒排列是導(dǎo)致其各向異性原因。Niandou et al.(1997)將頁巖體破裂模式分為剪切破壞和張拉破壞。Kuila et al.(2011)研究了復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下頁巖各向異性特征，認(rèn)為頁巖本身具有很高的固有各向異性特征。衡帥等(2015)對彭水地區(qū)頁巖進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為頁巖破裂模式的各向異性與層理傾角和圍壓的大小密切相關(guān)。徐敬賓等(2013)研究認(rèn)為頁巖縱波速度、彈性模量和泊松比等隨層理角度不同存在顯著的各向異性，不同層理角度頁巖單軸壓縮下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的脆性巖石破壞特征。陳天宇等(2014)對下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖進(jìn)行電鏡掃描，獲得了頁巖基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)牛蹄塘組黑色頁巖具有明顯的層狀沉積特征和層狀薄片礦物結(jié)構(gòu)特征。

就目前已公開發(fā)表有關(guān)頁巖力學(xué)特性的研究分析(李慶輝等， 2012; 徐敬賓等， 2013； 陳天宇等， 2014； 衡帥等， 2015)，多是考慮層理角度引起的各向異性，對于不同深度及平行層理頁巖的力學(xué)性質(zhì)及各向異性的研究尚不多見。本文基于頁巖試樣的單軸壓縮試驗，研究了頁巖在埋深(縱向)和平行層理(橫向)的力學(xué)特性、強度規(guī)律和破壞特征，并分析產(chǎn)生差異性的原因。

圖1 頁巖平行層理取心示意圖

1 試樣制備過程及實驗方案

1.1 試樣制備

實驗所用巖心取自四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組焦頁巖井。頁巖儲層如圖1 所示，運用古地磁定位標(biāo)記最大水平地應(yīng)力方向為X軸正方向，最小水平地應(yīng)力方向為Y軸正方向，XOY平行于層理面。標(biāo)記不同儲層試樣方位時，保持X軸正方向一致。定義取心方向與X軸正方向的夾角為取心角β， β角逆時針旋轉(zhuǎn)， 取0°、45°、90°和135°方向上的試樣。

頁巖試樣取心加工標(biāo)準(zhǔn)：直徑25mm、高度50mm的小圓柱體。對加工好的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲波檢測，挑選探測結(jié)果無異常、完整性良好、表面無明顯裂隙及缺陷的試樣。保證不同儲層不同方向頁巖試樣至少3塊，試樣加工過程如圖2 所示。

圖2 頁巖試樣加工過程

1.2 試驗設(shè)備和實驗方案

單軸壓縮試驗設(shè)備為美國產(chǎn)MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)測試系統(tǒng)。試驗過程采用軸向位移控制，加載速率為0.12mm·min-1?？傮w設(shè)置儲層埋深和取心方向角β兩組實驗變量。

表1 頁巖單軸壓縮試驗結(jié)果

Table1 Experimental results of shale specimens under uniaxial compression

試樣編號取心角β/(°)峰值強度/MPa彈性模量/GPa泊松比試樣編號取心角β/(°)峰值強度/MPa彈性模量/GPa泊松比6#儲層046.819.920.2408#儲層072.918.190.2024527.424.070.3094586.222.240.2499045.623.250.2909090.122.150.21913563.922.670.27713565.820.180.2097#儲層082.121.200.1949#儲層042.117.080.2314597.925.290.2314541.121.850.2809096.524.850.2199048.021.720.25513564.623.140.21013535.719.870.241

2 實驗結(jié)果分析

實驗中6#、7#、8#和9#頁巖試樣取自同一焦頁巖井不同埋深儲層，現(xiàn)場測井資料顯示6#儲層埋深2312.5～2319.5m， 7#儲層埋深2360.5～2379.5m， 8#儲層埋深2409.5～2419.5m， 9#儲層埋深2485.5～2496.5m。每組試樣單軸壓縮試驗至少3次，試驗后計算相關(guān)變形和強度參數(shù)，并計算其平均值如表1所示。由表1可知：

(1)相同埋深頁巖的不同取心方向峰值強度、彈性模量和泊松比存在差異。

(2)不同埋深相同取心方向的頁巖峰值強度、彈性模量和泊松比也不同。

2.1 頁巖的彈性模量和泊松比

圖3為該區(qū)段頁巖泊松比的變化情況。相同儲層相同方向試樣泊松比并非定值，說明頁巖參數(shù)自身具有不確定性。故本文中所有力學(xué)參數(shù)均取平均后進(jìn)行分析。

據(jù)圖3知泊松比在各儲層內(nèi)均隨取心角β的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。取心角β為45°方向上泊松比最大，取心角β為0°方向上泊松比最小。

同時，據(jù)表1和圖3 知：相同方向的取心角β角， 6#儲層頁巖試樣的泊松比最大， 9#儲層頁巖試樣泊松比次之， 7#儲層頁巖試樣的泊松比最小。

結(jié)果說明頁巖的泊松比不僅在平行層理不同方位上有差異，且在不同儲層埋深也有明顯區(qū)別。

圖3 頁巖試樣的泊松比

圖4 頁巖試樣的彈性模量

圖4為頁巖彈性模量變化情況，據(jù)圖4知相同埋深儲層，彈性模量隨取心角β的增大，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。其中， 45°方向上的彈性模量最大， 0°方向上彈性模量最小。

相同取心方向上頁巖的彈性模量隨埋深的增加有減小的趨勢。7#儲層試樣彈性模量在各個方向上最大， 6#儲層試樣彈性模量在各個方向上最小。

泊松比是巖石中石英黏土含量比的指標(biāo)，石英黏土含量比越高，泊松比越低，其脆性指數(shù)越高(姚軍等， 2013)。7#儲層單軸壓縮過程中的時間-應(yīng)力曲線達(dá)到峰值后跌落至試樣整體破壞所用的平均時間最少，該儲層脆性相對較高。泊松比的的差異在一定程度上體現(xiàn)了頁巖在不同埋深、不同方位的組分差異，可通過巖石礦物分析對比驗證。

彈性模量和泊松比的波動變化是層理間微裂隙瓦解的結(jié)果(劉斌等， 2002)。彈性模量和泊松比的變化在一定程度上體現(xiàn)出層理不同方位黏結(jié)力相對大小，不同方位試樣黏結(jié)力的不同，造成頁巖抗壓強度的差異。

2.2 頁巖的壓縮強度

圖5為頁巖單軸壓縮時抗壓強度的變化情況。據(jù)圖5知相同埋深的儲層內(nèi)，頁巖的單軸抗壓強度無固定變化趨勢。6#和9#儲層試樣隨取心角β的增大，抗壓強度先減小后增大，在取心角135°方向的抗壓強度最大； 7#和8#儲層試樣的抗壓強度則表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，與彈性模量在層理內(nèi)的變化情況表現(xiàn)出相似的規(guī)律。

圖5 頁巖試樣的抗壓強度

相同方向頁巖試樣單軸壓縮抗壓強度結(jié)果表明， 7#和8#儲層試樣抗壓強度在相同方向均大于6#和9#儲層試樣。說明該區(qū)段頁巖抗壓強度隨埋深不同有兩端低、中間高的現(xiàn)象，導(dǎo)致該結(jié)果的原因除巖體自身的不連續(xù)性外，中部儲層巖體受擠壓及構(gòu)造應(yīng)力等因素影響，其層理間黏結(jié)作用力更強。

2.3 力學(xué)參數(shù)的差異性

為定量描述頁巖儲層在不同埋深和平行層理內(nèi)力學(xué)參數(shù)的差異性大小，定義相關(guān)參數(shù)的橫向異性度及縱向異性度。

彈性模量在相同儲層內(nèi)的橫向異性度RE1和不同埋深下的縱向異性度RE2分別為

(1)

(2)

式中，E0°和E45°分別為相同儲層內(nèi)取心角為0°和45°方向上頁巖的彈性模量； E7#和E9#分別為7#和9#試樣的彈性模量。

同理定義泊松比和抗壓強度的橫向異性度Ru1和RC1，深度方向的縱向異性度Ru2和RC2：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，μHmax和μHmin分別為相同儲層頁巖泊松比的最大值和最小值； μVmax和μVmin為不同埋深頁巖泊松比的最大值和最小值； CHmax和CHmin分別為相同儲層頁巖泊松比的最大值和最小值； CVmax和CVmin為不同埋深頁巖泊松比的最大值和最小值。

分別計算各力學(xué)參數(shù)的橫向異性度和縱向異性度。橫向異性度的計算結(jié)果如表2所示，縱向異性度的計算結(jié)果如表3所示； 圖6 所示頁巖橫向異性度的離散分布情況，圖7 所示頁巖縱向異性度的離散分布情況。

表2 頁巖的橫向異性度

Table2 Transverse diversity factor of mechanical parameters

試樣編號6#儲層7#儲層8#儲層9#儲層彈性模量RE11.211.191.221.27泊松比Ru11.281.191.231.21抗壓強度RC11.521.131.161.52

表3 頁巖力學(xué)參數(shù)縱向異性度

Table3 Longitudinal diversity factor of mechanical parameters

取心角β/(°)04590135彈性模量RE21.241.161.141.16泊松比Ru21.241.341.331.32抗壓強度RC21.952.632.191.55

據(jù)表2和圖6 知，該區(qū)段頁巖的彈性模量和泊松比橫向異性度隨埋深不同存在微小差異。其中6#、7#和8#儲層試樣的彈性模量橫向異性度差異不大，均在1.20～1.30內(nèi)波動； 7#儲層試樣橫向異性度最低，略低于1.20； 9#儲層試樣橫向異性度最大。泊松比的橫向異性度大小與彈性模量接近， 6#和7#儲層試樣泊松比的橫向異性度略低于8#和9#儲層試樣。4組不同儲層中， 8#儲層試樣泊松比橫向異性度最高； 彈性模量和泊松比的橫向異性度不超過1.30，說明該區(qū)段頁巖橫向面內(nèi)的變形參數(shù)波動幅度不大。

該區(qū)段頁巖抗壓強度的橫向異性度隨埋深的增加表現(xiàn)出兩端大(6#、9#儲層試樣)、中間小(7#和8#儲層試樣)的V型變化規(guī)律?？箟簭姸葯M向異性度的極值和波動幅度均大于相同深度下的彈性模量和泊松比，說明埋深對抗壓強度的影響大，不同埋深的頁巖層理和基質(zhì)體之間的膠結(jié)作用力差異明顯。

據(jù)表3知，該井段頁巖彈性模量和泊松比的縱向異性度在不同方位表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。不同方位彈性模量和泊松比的縱向異性度大小在1.16～1.34波動。正交方位上的縱向異性度變化也不相同： 0°和90°方向上彈性模量和泊松比的縱向異性度差異明顯， 45°和135°方向上彈性模量和泊松比的縱向異性度大小相近。

據(jù)圖6、圖7知，頁巖抗壓強度的橫向及縱向異性度的極大值均明顯大于彈性模量和泊松比。頁巖的彈性模量和泊松比的橫向及縱向異性度均小于1.50，抗壓強度的橫向異性度在6#儲層取得最大值，抗壓強度的縱向異性度在取心角45°方向上取得最大值。

頁巖抗壓強度的橫向異性度隨儲層深度增加，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢； 抗壓強度的縱向異性度隨取心角β的增大，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢； 縱向異性度變化幅度大于橫向異性度。

圖6 頁巖試樣的橫向異性度

圖7 頁巖試樣的縱向異性度

力學(xué)參數(shù)的各向異性一定度上反映了地層內(nèi)部構(gòu)造、層理發(fā)育及裂隙分布的情況。忽略對其異性度的考慮，會對實際工程問題的分析產(chǎn)生偏差； 地下隧洞巷道巖體施工過程中，選擇在巖體異性度小的區(qū)域作業(yè)，可以避免因局部強度失穩(wěn)造成的崩塌。

異性度超過1.50的巖體區(qū)域易受開挖等人工因素擾動，屬活動性強易受擾動地帶。通過相關(guān)變形參數(shù)和強度參數(shù)的異性度分析，確定巖體薄弱區(qū)域(地層/方位)，對巖體定向支護(hù)、局部加固具有重要意義。此外，頁巖氣開采水力壓裂過程中，選擇在巖體強度適中、異性度高的區(qū)域定向射孔對于壓裂通道復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成具有重要意義。

2.4 頁巖破裂形態(tài)及破壞機制

不同位置取心的頁巖試樣不僅變形參數(shù)和強度參數(shù)差異明顯，破壞方式及破壞機制因儲層埋深和取心方位也有明顯區(qū)別。

圖8 頁巖試樣破壞過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

頁巖試樣的單軸壓縮過程中，軸向應(yīng)力從初始值加載到峰值時，伴隨著能量的突然釋放，巖體中的原生裂隙、層理、節(jié)理及次生擴展裂隙不斷發(fā)展，貫穿部分或整個層理面、結(jié)構(gòu)弱面和頁巖基質(zhì)體； 峰值應(yīng)力后，試樣迅速失去承載能力，破壞過程呈現(xiàn)出典型脆性特征(圖8)。

據(jù)圖8 知，從初始加載至峰值應(yīng)力過程共歷時139.86s，達(dá)到峰值應(yīng)力后，僅9.84s內(nèi)，應(yīng)力跌落至峰值應(yīng)力的25%，試樣失去承載能力，破壞。

圖9為頁巖試樣單軸壓縮后幾種典型的破裂形態(tài)。其中①～④取自不同方向的7#儲層試樣， ⑤～⑧取自8#儲層試樣。

圖9 平行層理頁巖試樣破裂形態(tài)

其中①～④： ①7#儲層取心角β=0°頁巖試樣，破壞方式以拉伸劈裂為主，破裂面沿加載應(yīng)力方向展開，試樣表面有平行于加載方向的裂縫，伴有巖塊脫落現(xiàn)象，試樣沿主應(yīng)力方向劈裂破壞，其破壞機制為貫穿層理的張拉破壞； ②7#儲層取心角β=45°頁巖試樣，破壞方式主要為剪切破壞，主破壞面與加載方向成45°，其破壞機制為順層理的劈裂破壞； ③7#儲層取心角β=90°頁巖試樣，破壞方式為整體劈裂破壞、局部剪切破壞，兩個主要的破壞面互相平行貫通，多個不同角度剪切面交叉，試樣下端部有部分剪切脫落塊體，其破壞機制為貫穿層理的剪切滑移破壞。上端部出現(xiàn)部分小碎屑塊體，其原因是試驗機壓頭與試樣端部摩擦引起的變形不協(xié)調(diào)； ④7#儲層取心角β=135°頁巖試樣，破壞方式為柱狀劈裂破壞，試樣破壞后成幾大塊體，破壞面互相平行，試樣垂直劈裂成若干塊體，下端有部分壓碎，其破壞機制為貫穿層理的張拉破壞。

表4 頁巖試樣破壞方式

Table4 Failure modes of shale specimens

破裂形態(tài)破壞機制破壞特征順層理的張拉劈裂破壞劈裂破壞伴隨局部剪切,主破壞面貫穿層理順層理的劈裂破壞和剪切滑移破壞劈裂破壞面從兩端發(fā)展,在試樣中部與剪切面匯合順層理的劈裂破壞垂直劈裂破壞,試樣底部劈裂破壞面溝通端部剪切面貫穿層理的剪切滑移破壞平行剪切破壞,試樣被分割成若干小塊貫穿層理和沿層理的剪切破壞共軛剪切破裂面貫通整個試樣

其中⑤～⑧： ⑤8#儲層取心角β=0°頁巖試樣，破壞方式主要為劈裂破壞，破壞后有小碎屑產(chǎn)生，說明有局部摩擦作用產(chǎn)生剪切破壞，試樣表面存在不同方向剪切裂縫，其破壞機制為貫穿層理的張拉破壞； ⑥8#儲層取心角β=45°頁巖試樣，破壞方式為劈裂剪切共同作用，劈裂面與剪切面交叉連接貫通，剪切面與應(yīng)力加載方向大致成15°，試樣表面仍有未貫穿的劈裂裂縫，其破壞機制為順層理的劈裂破壞和剪切滑移破壞； ⑦8#儲層取心角β=90°頁巖試樣，破壞方式為試樣上端部劈裂破壞、下端部剪切破壞，剪切破壞面與加載方向大約成60°，其破壞機制為順層理的劈裂破壞； ⑧8#儲層取心角β=135°頁巖試樣，破壞方式為剪切劈裂破壞，試樣自上部劈裂，劈裂破壞面擴展后與下部剪切破壞面交匯，形成剪切滑移塊體和劈裂塊體，其破壞機制為順層理的劈裂破壞。

基于單軸壓縮試驗試樣破壞后的結(jié)果分析，平行層理頁巖試樣單軸壓縮條件下以劈裂破壞為主伴、隨部分或局部剪切破壞，呈現(xiàn)脆性破壞特征，破裂形態(tài)各異。平行層理取心試樣的5種基本破裂形態(tài)及其破壞機制(表4)。

表4 頁巖試樣破壞方式

不同儲層頁巖試樣在不同方向單軸壓縮后的破裂形態(tài)差異很大，其巖體破壞機制在一定程度上決定巖體的破裂形態(tài)。頁巖體內(nèi)部層理的發(fā)育度、層理面的分布及層理與基質(zhì)體之間的膠結(jié)情況影響巖體的破壞方式和破壞機制。

3 頁巖層理的影響

頁巖體中廣泛存在的層理不僅時刻影響著巖體基質(zhì)體，造成巖體變形參數(shù)的差異性，甚至在一定程度可以控制巖體強度及破壞方式。頁巖基質(zhì)體和層理的基本物理參數(shù)(表5，表6)。

表5 頁巖基質(zhì)體力學(xué)參數(shù)

Table5 Mechanical parameters of shale matrix

單軸抗壓強度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa泊松比118.0028.5435.7826.060.367

表6 頁巖層理力學(xué)參數(shù)

Table6 Mechanical parameters of shale bedding

抗拉強度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)0.30～2.008.9833.86

3.1 層理對頁巖抗壓強度的影響

巖體中層理面的存在，使得巖體具有一定程度的各向異性。傳統(tǒng)頁巖體破壞分析中，將巖體視為橫觀各向同性體，在橫向平行層理內(nèi)巖體各向同性，但由于不同埋深處層理厚度及膠結(jié)度不同，此說法并不一定準(zhǔn)確。

圖10 平行層理頁巖試樣破壞線區(qū)間

單軸壓縮試驗過程中，軸向加載應(yīng)力由零開始直至試樣破壞，理論上認(rèn)為，峰值時刻加載應(yīng)力即為試樣的抗壓強度。

假定頁巖基質(zhì)體和層理的破壞過程均服從莫爾-庫侖準(zhǔn)則，且平行于層理取心的頁巖試樣基質(zhì)體和層理面相互平行，則有

(7)

(8)

頁巖試樣的破壞包絡(luò)線應(yīng)介于直線τ1和τ2之間(圖10)，據(jù)此可求得頁巖試樣單軸抗壓強度的范圍：

將表4和表5中的相關(guān)參數(shù)代入計算，頁巖試樣的單軸抗壓強度σC∈(14.36， 111.50)，單位：MPa。

表1中頁巖試樣強度的實驗結(jié)果均在抗壓強度理論值的范圍內(nèi)，說明將頁巖試樣視為層理面和基質(zhì)體的組合體分析可行，頁巖試樣強度介于層理面的理論強度與基質(zhì)體的理論強度之間。

圖11所示為不同層理密度的頁巖試樣。隨層理密度的增加，頁巖試樣由基質(zhì)體逐漸轉(zhuǎn)化為含一定層理密度的混合體。

圖11 不同層理密度的頁巖試樣

不同埋深儲層頁巖的層理密度不同，定義無量綱化的層理密度為單位長度內(nèi)層理弱面的總長度，即沿深度方向單位米內(nèi)層理弱面的條數(shù)*單個層理弱面的厚度。計算各儲層不同方位頁巖層理密度，并取平均值。頁巖試樣單軸抗壓強度與層理密度之間的關(guān)系如圖12 所示，據(jù)圖知頁巖隨層理密度增加，抗壓強度逐漸降低。該圖從基質(zhì)體和層理分布的角度上解釋了不同儲層頁巖抗壓強度差異的原因。

圖12 層理密度對抗壓強度的影響

該分析結(jié)果說明，頁巖層理密度在一定程度上控制頁巖體強度。同時，層理密度和分布情況也會影響頁巖的破壞方式。

3.2 層理對頁巖破壞方式的影響

層理膠結(jié)形態(tài)直接決定層理內(nèi)聚力，從而間接影響著巖體強度和破壞方式。

頁巖層理間，層理與基質(zhì)體間的膠結(jié)方式如圖13 所示。其中直線型的層理間和層理內(nèi)的膠結(jié)力較弱，凹凸型、波浪型和三角型的膠結(jié)力較強。膠結(jié)力的強弱直接體現(xiàn)出層理內(nèi)聚力的大小。

圖13 頁巖層理的膠結(jié)方式

頁巖基質(zhì)體的內(nèi)聚力始終大于頁巖層理的內(nèi)聚力和層理與基質(zhì)體聯(lián)結(jié)處的膠結(jié)力，基質(zhì)體與層理之間的內(nèi)聚力相對較弱時，單軸壓縮條件下頁巖試樣易沿層理或?qū)永砼c基質(zhì)體膠結(jié)處發(fā)生順層理的張拉劈裂破壞，如表4破裂形態(tài)中(ⅰ)(ⅲ)所示，這也是單軸壓縮條件下頁巖主要的破壞方式； 基質(zhì)體與層理間的內(nèi)聚力大小適中時，單軸壓縮條件下頁巖可發(fā)生貫穿層理和基質(zhì)體的破壞，如表4破裂形態(tài)中(ⅱ)(ⅳ)(ⅴ)所示，由于層理的影響，剪切破裂面形成的破壞角α不斷變化。

具有一定層理密度的頁巖試樣單軸壓縮破壞過程如圖14 所示。單軸壓縮過程中，隨著軸向壓力的逐漸增加，頁巖層理首先破壞； 逐步擴展至層理基質(zhì)體混合交界處； 延伸至頁巖基質(zhì)體； 破裂面發(fā)展至頁巖試樣邊緣，試樣失去承載力，破壞。

圖14 單軸壓縮條件下的破壞過程

破壞時形成的破壞角α可由單軸抗壓強度及層理與基質(zhì)體的內(nèi)聚力求出：

(9)

據(jù)表7知，頁巖試樣單軸壓縮條件下破壞角α的理論值與實測值吻合程度良好，破壞角的實驗測量值幾乎全部落在理論最大值與最小值之間。

表7 頁巖試樣破壞角

Table7 Failure angle of shale specimens

試樣編號6#儲層7#儲層8#儲層9#儲層理論max值/(°)69.2178.3877.1767.41理論min值/(°)39.6556.8354.1137.10實測值1/(°)42.5265.2861.6464.55實測值2/(°)70.5574.6270.4558.62實測值3/(°)65.4858.3568.2545.45

4 結(jié) 論

本文通過開展頁巖單軸壓縮試驗，研究了不同埋深儲層和平行層理取心的頁巖試樣變形參數(shù)、強度特征及破壞方式的差異性。初步結(jié)論與建議如下：

(1)四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰-龍馬溪組頁巖橫、縱向變形參數(shù)均表現(xiàn)出差異特征。橫向面內(nèi)平行層理隨取心角度β的增大，變形參數(shù)總體上表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

(2)定義異性度用來定量描述頁巖變形參數(shù)和強度參數(shù)的差異程度。分析結(jié)果表明，取樣區(qū)段頁巖變形參數(shù)的橫向和縱向異性度小，其大小在1.50附近。強度參數(shù)的異性度明顯大于變形參數(shù)(彈性模量、泊松比)的異性度。

(3)頁巖試樣單軸壓縮條件下呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。破壞方式以劈裂破壞為主、伴隨有部分或局部剪切破壞； 不同埋深儲層、不同方位頁巖破壞角不同。

(4)頁巖層理的影響是導(dǎo)致其強度及破壞方式差異的主要原因之一。層理面在一定程度可以決定巖體的強度及破壞方式。

(5)頁巖地層中的薄弱面擠壓疊加形成層理面，順層理的剪切滑移和層理內(nèi)弱面的張開是頁巖地層井壁失穩(wěn)的重要原因。水力壓裂過程中，橫向異性度大的層理首先被打開，導(dǎo)致壓裂通道沿層理面擴展，難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)不到理想的壓裂效果，在施工過程中要避免此類層理面被打開。

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LABORATORY TESTS FOR MECHANICAL PROPERTIES OF DEEP-SEATED SHALE IN JIAOSHIBA BLOCK OF SICHUAN BASIN

Uniaxial compression experiments on shale specimens of Wufeng-Longmaxi region are carried out to study the mechanical properties within bedding planes under different depths. The deformation feature， compressive strength and five fundamental failure modes are summarized. The result shows that the mechanical parameters of shale within bedding planes under different depths are turned out to be significant difference. Shale blocks within bedding planes present obvious brittle failure characteristics， which mainly forms of splitting failure accompanied by partial or localized shear failure. On the whole， as the sampling angleβenlarges， the elastic modulus and Poisson’s ratio increase at first and then decrease. Comparative analyses are carried out for the mechanical parameters varieties of the transverse and longitudinal diversity. The diversity factor of compressive strength is quite larger than that of elastic modulus and Poisson’s ratio. The effect of shale bedding planes is one of the main factor for the diversity of strength and failure mode. Bedding plane can determine shale compressive strength and failure mode to some extent. The research provides references for the wellbore stability analysis and hydraulic fracturing design in the shale gas exploitation．

Deep-seated shale， Bedding planes， Mechanical properties， Different depths， Failure modes

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.017

2016-06-17;

2016-08-17.

國家自然科學(xué)基金項目(No.51574218)， 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)課題(編號：XDB10040202)資助.

汪虎(1991-)，男，碩士生， 主要從事頁巖水力壓裂開采過程中巖石力學(xué)問題的研究. Email: wanghu0214@163.com

TU452

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