巖石脆性評價方法進(jìn)展

任 巖 曹 宏 姚逢昌 盧明輝 楊志芳 李曉明

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

1 引言

致密油氣、頁巖氣等非常規(guī)儲層，由于具有強(qiáng)非均質(zhì)性、低孔隙度、低滲透率和氣流阻力大等特征，其有效開采面臨巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，針對非常規(guī)油氣開采的關(guān)鍵技術(shù)是水平井鉆井和分段體積壓裂，其中體積壓裂即人工儲層改造[1-3]。影響壓裂儲層改造效果的因素很多，包括巖石脆性、天然和誘導(dǎo)裂縫、成巖作用、地應(yīng)力等，而巖石脆性是影響地層可壓裂性的最重要因素[4]。與韌性巖石相比，脆性巖石具有易于形成天然裂縫、增加烴儲藏和流動能力、容易壓裂、低扭曲、低嵌入度、易于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)、儲藏接觸體積大等特點(diǎn)，因此脆性大的巖石有利于壓裂改造[4]。

2 脆性的定義

不同學(xué)科、不同領(lǐng)域?qū)Υ嘈缘睦斫獠煌壳斑€沒有一個被廣泛接受的脆性定義和準(zhǔn)確的脆性指數(shù)計算方法[5]。Heteny[6]和Morley[7]將脆性定義為材料延展性或可逆性的缺失，脆性的程度通常表現(xiàn)為較小的變形伸長量和變形面積。Ramsay[8]認(rèn)為，當(dāng)巖石的內(nèi)聚力由于在其彈性范圍內(nèi)的變形而被破壞時，巖石是脆性的，并且脆性的強(qiáng)度由斷裂時刻的應(yīng)力條件所決定。Obert等[9]認(rèn)為，鑄鐵或巖石在達(dá)到或稍微超出屈服強(qiáng)度時發(fā)生破壞，這樣的材料被認(rèn)為是脆性的。地質(zhì)學(xué)及相關(guān)學(xué)科學(xué)者認(rèn)為，材料斷裂或破壞前表現(xiàn)出極小或沒有塑性形變的特性為脆性[10]。對于脆性破裂來說，經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為，破裂之前沒有或很少發(fā)生永久變形為脆性破裂[11]，Griggs等[12]規(guī)定永久變形不超過1%，而Heard[13]規(guī)定巖石破裂前總應(yīng)變不超過3%就算是脆性破裂。

由此可知，脆性的概念尚不明確。而脆性的影響因素又較為復(fù)雜，礦物成分、楊氏模量、泊松比、孔隙流體、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、縱橫波速度等均會對巖石脆性造成影響。同時，現(xiàn)有的脆性評價方法繁雜，其中道路橋梁工程、材料工程、深部巖體工程、煤礦開采、油氣田開發(fā)工程等領(lǐng)域均提出了若干種脆性指數(shù)[14-21]，但是現(xiàn)有的脆性指數(shù)普遍存在一定的理論缺陷和應(yīng)用局限性，對非常規(guī)儲層的可壓裂性評價不理想。

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者提出了大量的脆性指數(shù)定義。Jarvie等[22]和Rickman等[23]提出了礦物組分法； Rickman等[23]根據(jù)歸一化的彈性模量和泊松比，提出了適用于北美FORT-WORTH盆地頁巖儲層的巖石力學(xué)參數(shù)法； 有人提出了巖石抗壓抗拉強(qiáng)度法[5,24，26]； 基于巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線，國內(nèi)外學(xué)者從曲線形態(tài)[18,27-31]和能量關(guān)系[32-36]的角度，提出了應(yīng)力—應(yīng)變曲線法； 針對陶瓷材料，有人研究了硬度與斷裂韌度法[24,37，38]； Hucka等[24]研究了與巖石破裂角有關(guān)的內(nèi)摩擦角法，并總結(jié)了高脆性巖石的基本特征： ①破裂時變形量小； ②發(fā)生斷裂破壞； ③巖石由細(xì)粒組成； ④高抗壓與抗拉強(qiáng)度比； ⑤高回彈性； ⑥較大的內(nèi)摩擦角； ⑦硬度測試時裂紋發(fā)育完全。

3 脆性評價方法

3.1 礦物組分法

該方法認(rèn)為巖石中脆性礦物含量越高，巖石的脆性越大，因此定義脆性礦物含量占總礦物含量的百分比為脆性指數(shù)[22，23]，即

(1)

式中：Wbrit為脆性礦物含量；Wtotal為總礦物含量。文中將石英礦物和碳酸鹽礦物定義為脆性礦物，實(shí)際應(yīng)用時這一定義可根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)加以修改[39]。圖1為北美Barnett頁巖與中國川南下古生界頁巖礦物成分三元圖[36,40]，根據(jù)巖石的礦物三元組分含量，即可方便地計算出巖體的脆性指數(shù)B1。

圖1 Barnett頁巖與川南下古生界頁巖礦物組分三元圖[40]

式(1)的計算方法簡單，已經(jīng)在國內(nèi)外一些地區(qū)取得了一定程度的應(yīng)用效果。但是這種方法也存在缺陷： ①該脆性指數(shù)僅對相同地區(qū)同種地質(zhì)體的脆性評價有效，對于不同地區(qū)或者相同地區(qū)不同地質(zhì)體而言，脆性礦物的定義可能不同，因此不能直接使用； ②對頁巖地層有效，但對于致密砂巖地層，巖石中石英等脆性礦物含量本身較高，對此方法不敏感； ③僅能夠分析簡單應(yīng)力條件下巖石的脆性破壞特征，不能反映地下復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的巖石脆性，即沒有考慮巖石的力學(xué)性質(zhì)； ④忽略了成巖作用的影響，例如成巖壓力、孔隙結(jié)構(gòu)不同，即使礦物成分完全相同，脆性指數(shù)也可能存在較大差異。

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)法

楊氏模量是描述材料抵抗形變能力的物理量，泊松比是反映材料橫向變形能力的物理量，巖石力學(xué)參數(shù)法認(rèn)為脆性指數(shù)與楊氏模量和泊松比密切相關(guān)，巖石的楊氏模量越大、泊松比越小，脆性越大。Rickman等[23]引入統(tǒng)計學(xué)方法，回歸得到適用于北美FORT-WORTH盆地頁巖儲層的脆性指數(shù)

(2)

而

(3)

(4)

圖2為FORT-WORTH頁巖脆性指數(shù)B2隨彈性模量與泊松比的變化關(guān)系圖。圖中楊氏模量較大、泊松比較小的部分(左下角)為脆性指數(shù)最大的區(qū)域。該結(jié)果是基于北美FORT-WORTH盆地的頁巖樣品，楊氏模量和泊松比的最大值、最小值具有明顯的地域局限性。鑒于此，國內(nèi)有人在此基礎(chǔ)上對參數(shù)做了修改，計算了適用于四川龍馬溪組頁巖和長慶延長組地層的脆性指數(shù)[47-51]。該方法的缺點(diǎn)在于： ①基于統(tǒng)計學(xué)原理，需要大量樣本實(shí)驗(yàn)，因此參數(shù)的歸納與分析需要投入較大成本； ②只考慮彈性模量與泊松比對巖石脆性的影響，未考慮其他巖石力學(xué)參數(shù)對脆性變化的影響； ③楊氏模量與泊松比的影響權(quán)重均為0.5，這一給定有待商榷； ④未考慮復(fù)雜應(yīng)力條件或有圍壓條件，因此有嚴(yán)重的地域局限性。

圖2 脆性指數(shù)B2隨楊氏模量與泊松比的變化關(guān)系[23]

3.3 抗壓抗拉強(qiáng)度法

抗壓和抗拉強(qiáng)度是衡量巖石在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力條件下的強(qiáng)度極限值，可在一定程度上描述巖石的力學(xué)特性。巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度可通過單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)方便地獲得，所以基于巖石強(qiáng)度特征的脆性評價方法被廣泛使用。此類方法給出以下四種脆性指數(shù)

式中σc和σt分別為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度[24,26]。本文將選取前人文獻(xiàn)中的儲層巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5,25,52-54]對以上四種脆性指數(shù)進(jìn)行綜合評價，討論B3、B4、B5和B6對巖石脆性表征情況的優(yōu)劣性。

如圖3所示，不同巖石的抗壓與抗拉強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，即抗壓強(qiáng)度大的巖石，抗拉強(qiáng)度也大。圖4為巖石抗壓強(qiáng)度與脆性指數(shù)B3和B4的關(guān)系，脆性指數(shù)B3大部分位于8～12之間，變化范圍較小(圖4a)； 圖4b中，90%以上數(shù)據(jù)點(diǎn)的脆性指數(shù)B4位于0.8～0.9之間，變化范圍非常小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，脆性指數(shù)B3和B4很難在如此小的變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確反映出不同巖石之間脆性差異。

圖5所示為巖石抗壓強(qiáng)度與脆性指數(shù)B5和B6的關(guān)系，脆性指數(shù)B5與抗壓強(qiáng)度有較好的二次相關(guān)性，而指數(shù)B6是B5的算術(shù)平方根，因此可用線性關(guān)系擬合。由于抗壓、抗拉強(qiáng)度正相關(guān)，因此二者的乘積在數(shù)值上比B3和B4敏感，通過分析巖石的鉆孔效率和斷裂韌度等特征與B5和B6之間的關(guān)系也驗(yàn)證了上述現(xiàn)象[5,15,17,25，26,55]。

圖3 巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 巖石抗壓強(qiáng)度與脆性指數(shù)B3和B4的關(guān)系

圖5 巖石抗壓強(qiáng)度與脆性指數(shù)B5和B6的關(guān)系

準(zhǔn)確的巖石脆性評價，不僅要考慮巖石本身的力學(xué)參數(shù)，同時還要考慮外在力學(xué)條件變化對巖石脆性的影響。徐松林等[56]證明了隨著圍壓的逐漸增加，巖體強(qiáng)度和塑性都會逐漸增加，而脆性逐漸減弱。同時，數(shù)值模擬研究表明，隨著圍壓的降低，巖石的破壞形式逐漸由塑性向脆性轉(zhuǎn)變[57，58]。對于脆性指數(shù)B3～B6，隨著圍壓增加，巖石的抗壓抗拉強(qiáng)度均增加，脆性指數(shù)數(shù)值也相應(yīng)增加，這與前述的巖石脆性減弱趨勢相違背。

抗壓、抗拉強(qiáng)度法的缺點(diǎn)為： ①計算數(shù)值差異小、定量計算不敏感； ②沒有考慮外在力學(xué)條件變化對巖石脆性的影響，在圍壓變化時求出的脆性指數(shù)與實(shí)際情況相反，不適合實(shí)際工程應(yīng)用。

3.4 應(yīng)力—應(yīng)變曲線法

巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線反映了巖石在外界荷載作用下從開始變形、破壞到最后失去承載力的全過程，是定性評價巖石脆性大小最直觀、最有效的方法[20,59-61]。單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)是獲取巖石參數(shù)、研究巖石性質(zhì)和建立巖石力學(xué)模型的基本手段。通過實(shí)驗(yàn)中記錄的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線，可以定量獲得巖石在相同或不同應(yīng)力狀態(tài)下的特征，具有簡單、方便、無需額外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來國內(nèi)外學(xué)者基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線提出了很多不同的脆性指標(biāo)。應(yīng)力—應(yīng)變曲線法又分為曲線形態(tài)法和能量法兩種。

曲線形態(tài)法是根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線每一階段的物理意義而建立的脆性評價方法。如圖6所示，巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以分成6個階段[19,59,62-65]： ①OA段，巖石內(nèi)部裂隙被壓縮閉合，應(yīng)力卸載后可全部恢復(fù)，屬彈性變形； ②AB段，線彈性變形階段，曲線近乎直線，應(yīng)力卸載后可全部恢復(fù)； ③BC段，巖石破壞開始，內(nèi)部出現(xiàn)平行于最大主應(yīng)力的微裂隙，為非線性塑性變形； ④CD段，內(nèi)部裂紋加速形成，微裂隙密度增大，D點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到峰值，為巖石抗壓強(qiáng)度； ⑤DE段，裂紋逐漸貫通，巖石承載力降低； ⑥E點(diǎn)之后裂縫開始滑動，巖石破壞，殘余強(qiáng)度保持不變。基于此，曲線形態(tài)法分為以下四種(B7～B10)。

巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后狀態(tài)變化對巖體脆性的衡量具有重要影響。Bishop[27]經(jīng)過研究提出，巖石脆性與峰后應(yīng)力降的大小有關(guān)，應(yīng)力降越大，巖石脆性越強(qiáng)，由此建立脆性指數(shù)

(9)

式中σp和σr分別為峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

研究認(rèn)為，巖石內(nèi)部摩擦強(qiáng)度達(dá)到極值的應(yīng)變(即峰值應(yīng)變)與黏聚力弱化達(dá)到殘余值的應(yīng)變(即殘余應(yīng)變)差值越小，巖石脆性越大[28，29,66]，由此建立脆性指數(shù)

(10)

式中εp和εr分別為峰值應(yīng)變和殘余應(yīng)變。

對于脆性指數(shù)B7，沒有考慮峰后跌落速率對巖石脆性的影響，即在相同應(yīng)力條件下，跌落速率越快，巖石的脆性越強(qiáng)(圖7)，所以B7不能反映圖上兩條曲線的脆性差異。而脆性指數(shù)B8僅考慮了巖石峰后應(yīng)變狀態(tài)對于脆性指數(shù)的影響，沒有考慮應(yīng)力峰值大小對巖石脆性的影響(圖8)，所以B8同樣不能反映圖上兩條曲線的脆性差異。

圖7 脆性指標(biāo)B7不能反映的情況

李慶輝等[31]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了同時考慮峰前、峰后力學(xué)特征的脆性指標(biāo)

(11)

(12)

(13)

(14)

圖8 脆性指標(biāo)B8不能反映的情況

圖9 脆性指標(biāo)B9不能反映的情況

周輝等[18]研究了定量描述巖石峰后應(yīng)力降的相對大小和絕對速率的脆性指標(biāo)

(15)

(16)

(17)

脆性指標(biāo)B10同樣存在缺陷，該脆性指數(shù)只考慮了峰后應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)對巖石脆性的影響，沒有考慮峰前特征。如圖10所示，圖中兩條曲線峰后應(yīng)力降大小和應(yīng)力跌落速率相同，B10計算數(shù)值相同，但OAB的峰值應(yīng)變較小，脆性大于OCD，因此指標(biāo)B10不能反映這一情況。

圖10 脆性指標(biāo)B10不能反映的情況

應(yīng)力—應(yīng)變曲線的積分(即應(yīng)力—應(yīng)變曲線上某一點(diǎn)向橫軸做垂線，積分值為該垂線、橫軸和應(yīng)力—應(yīng)變曲線之間部分的面積)對應(yīng)了巖石壓縮過程的能量變化，因此可通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線所表征的能量關(guān)系建立脆性指數(shù)。近年來提出了四種(B11～B14)曲線能量法。

Aubertin等[33]、Baron[35]使用峰值應(yīng)力處的可恢復(fù)彈性能與峰值應(yīng)力處總能量的比值定義脆性指數(shù)

(18)

式中：A2定義為峰值應(yīng)力處的可恢復(fù)彈性能(圖11中BCD區(qū)域面積)；A1定義為峰值應(yīng)力處的總能量(圖11中OABD區(qū)域面積)。B11值越大，即可恢復(fù)彈性能越大，脆性越大。指數(shù)B11只考慮了峰前能量，忽略了峰后能量變化對脆性的影響。

圖11 脆性指數(shù)B11示意圖[35]

Tarasov等[32]同時考慮了峰后過程的能量，提出利用峰后破裂能量與峰后可恢復(fù)彈性能的比值作為脆性指標(biāo)

(19)

式中：dwr定義為峰后破裂能量(圖12中、12右灰色區(qū)域面積)；dwe定義為峰后巖石破裂所消耗的彈性能(圖12左紅色大三角形與圖12中、12右紅色小三角形面積的差值)。B12的值越小，巖石脆性越大。

Munoz等[34]使用峰值應(yīng)力處可恢復(fù)彈性能與全過程總能量的比值來定義脆性指數(shù)

(20)

式中Ue為峰值應(yīng)力處可恢復(fù)彈性能(圖13右紅色區(qū)域面積)，而全過程的總能量分為峰前總能量Upre(圖13中曲線下的藍(lán)色區(qū)域面積)和峰后總能量Upost(圖13左綠色區(qū)域面積)。指數(shù)B13越大，巖石脆性越大。

圖12 脆性指數(shù)B12示意圖[32]

圖13 脆性指數(shù)B13示意圖[34]

夏英杰等[36]認(rèn)為，峰后應(yīng)力降速率對巖石脆性表征具有重要意義，但同時不能忽略峰前應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)對于巖石脆性特征的影響，提出了以巖石峰后應(yīng)力降速率Bpost和巖石破壞時所釋放彈性能與峰前儲存總能量比值BE共同表征的巖石脆性指標(biāo)

B14=Bpost+BE

(21)

(22)

(23)

式中：W1定義為巖石破壞時所釋放彈性能(圖14中藍(lán)色區(qū)域面積)；W2定義為峰前儲存總能量(圖14中紅色區(qū)域面積)。指數(shù)B14越大，巖石脆性越大。

綜上所述，應(yīng)力—應(yīng)變曲線法不僅可以通過曲線形態(tài)來描述巖石受力特性，而且可以利用能量關(guān)系對巖石脆性破裂過程進(jìn)行衡量，但這兩種方法均存在問題： ①曲線形態(tài)法不能完備地對巖石脆性進(jìn)行描述，均存在一定程度的特例使得脆性指數(shù)失效；

圖14 脆性指數(shù)B14示意圖

②曲線能量法中，應(yīng)力—應(yīng)變曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義還存在爭議，例如指數(shù)B11、B13和B14的峰前總能量的定義存在差異，B14中巖石破壞所釋放彈性能的定義與前人研究不符等。

3.5 硬度和斷裂韌度法

硬度反映了材料對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較材料軟硬的指標(biāo)；斷裂韌度則反映了材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是表征儲層壓裂難易程度的重要因素。有人用硬度和斷裂韌度法來表征脆性[24,37，38]

(24)

(25)

(26)

式中：Hμ為微觀硬度；H為宏觀硬度；K為常數(shù)，

E為楊氏模量；KIC為斷裂韌度。

硬度和斷裂韌度只與材料本身性質(zhì)有關(guān)，是材料的一種固有特性[11]，人們已測量出組成巖石礦物的硬度和斷裂韌度的標(biāo)準(zhǔn)值。廖東良等[19]利用礦物種類和含量加權(quán)斷裂韌度，以此計算巖石脆性。雖然這一類型的脆性表征方法給出了巖石脆性指數(shù)與硬度和斷裂韌度之間的關(guān)系，但是其缺點(diǎn)在于：對于地下復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石脆性的表述不精確，不能用于定量分析。

3.6 內(nèi)摩擦角法

內(nèi)摩擦角法是從庫倫—莫爾破裂準(zhǔn)則中引入的，該準(zhǔn)則是巖石力學(xué)中應(yīng)用最廣的強(qiáng)度理論[11,24]。庫倫—莫爾破裂準(zhǔn)則有兩種敘述方法，一種是利用兩個相互垂直的主應(yīng)力σ1和σ3的關(guān)系表征(圖15a)；另一種是用巖石中某個方位平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的關(guān)系表征(圖15b)。

圖15 庫倫—莫爾準(zhǔn)則示意圖

圖15a中的破裂線方程可表示為

σ1=C0+qσ3

(27)

式中：σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；C0為單軸抗壓強(qiáng)度；q為斜率。圖15b中的破裂線方程可表達(dá)為

τ=S0+μσ

(28)

B18=sinφ

(29)

(30)

指數(shù)B18是內(nèi)摩擦角的正弦值，數(shù)值越大，巖石脆性越大；脆性指數(shù)B19將內(nèi)摩擦角φ與破裂角θ聯(lián)系起來，可以通過巖石壓縮實(shí)驗(yàn)的破裂角度直觀地對樣品脆性進(jìn)行描述，破裂角越大，脆性越大。

圖16為Tarasov等[32]給出的不同圍壓下輝綠巖樣品的破裂角變化情況?？梢钥闯?，隨著圍壓的增加，破裂角θ由79°下降到47°，且破裂面趨于光滑，可判斷巖石脆性逐漸減弱，塑性逐漸增強(qiáng)。因此這一規(guī)律可作為判斷巖石脆性程度的重要依據(jù)。但是這種方法同樣存在缺陷：它只適用于同種巖石在不同應(yīng)力條件下的脆性判斷，若不同的巖石出現(xiàn)破裂角相同的情況時，該方法無法進(jìn)行衡量。

圖16 不同圍壓下巖心破裂角變化圖[32]

4 應(yīng)用實(shí)例

礦物組分法和巖石力學(xué)參數(shù)法是利用測井?dāng)?shù)據(jù)間接求取地層脆性的方法，雖然具有簡單、高效、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其計算結(jié)果對測井資料的依賴性較高。間接計算的可靠性較低，尤其在測井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量不佳、地層較復(fù)雜的區(qū)域，評價結(jié)果的可信度會大大降低?？箟嚎估瓘?qiáng)度法和硬度與斷裂韌度法均利用實(shí)驗(yàn)測量的極值參數(shù)進(jìn)行脆性指數(shù)的計算，并未考慮實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)變化，因此這兩種方法較少使用。內(nèi)摩擦角法計算脆性指數(shù)需要有多塊樣品進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，時間和經(jīng)濟(jì)成本很高。應(yīng)力—應(yīng)變曲線法并非使用單一的測量參數(shù)，而是更為完整地考慮了壓縮實(shí)驗(yàn)的過程，得到的結(jié)果可信度更高，且只需要進(jìn)行一次壓縮實(shí)驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)巖石脆性計算，較為簡單，因此實(shí)際應(yīng)用更加廣泛。筆者這里將重點(diǎn)討論現(xiàn)有應(yīng)力—應(yīng)變曲線法在實(shí)際巖石脆性評價中存在的問題。

對致密砂巖、頁巖、白云巖樣品進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置為美國GCTS公司巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM關(guān)于巖石三軸試驗(yàn)的所有要求。樣品尺寸為25mm×50mm，圍壓為40MPa，加壓速率為每分鐘應(yīng)變量0.06%。

圖17為試驗(yàn)測量的三種致密巖石的三軸壓縮曲線代表，其中圖17a、17b、17c分別為致密砂巖、頁巖、白云巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，研究巖石壓縮過程中的變形和破壞主要通過軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線(藍(lán)色)體現(xiàn)。圖17d為現(xiàn)有應(yīng)力—應(yīng)變曲線法脆性指標(biāo)對曲線的簡化方式，圖中E和M分別為峰前階段和峰后階段的楊氏模量，即曲線斜率。從以上圖中可以看出，現(xiàn)有方法對實(shí)際應(yīng)力—應(yīng)變曲線的簡化存在較大缺陷： ①峰前階段曲線用一段或兩段直線表示過于簡單，塑性強(qiáng)的巖石峰前曲線彎曲度較強(qiáng)，導(dǎo)致拐點(diǎn)位置不易確定，從而增大了計算誤差； ②峰后曲線變化更加復(fù)雜，無法用簡單的直線代替，并且曲線的復(fù)雜程度包含了巖石脆性的信息，直線簡化會造成有效信息丟失； ③現(xiàn)有應(yīng)力—應(yīng)變曲線法中大多需要對峰前和峰后的楊氏模量進(jìn)行簡化求取，但上述方法會使楊氏模量的計算結(jié)果有很強(qiáng)的多解性。因此，現(xiàn)有的基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的脆性評價方法只適用于理想狀態(tài)下、曲線形態(tài)簡單的情況，當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)復(fù)雜時，現(xiàn)有的該類方法不適用，多解性強(qiáng)。

圖17 巖石三軸壓縮試驗(yàn)曲線

5 討論與結(jié)論

文中所述之脆性指數(shù)并沒有完全涵蓋現(xiàn)有的所有脆性評價方法，比如應(yīng)用于堅(jiān)固性沖擊試驗(yàn)(Protodyakonov Impact Test)中的基于碎屑含量的脆性指數(shù)[67，68]，以及在道路橋梁工程路基檢測中基于鉆頭穿透試驗(yàn)(Punch Penetration Test)的脆性指數(shù)[54,69-71]等。本文重點(diǎn)總結(jié)的巖石脆性評價方法均為能源勘探開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)常用的、實(shí)驗(yàn)參數(shù)便于獲取的幾類方法，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)階段可以用來對非常規(guī)油氣開發(fā)中人工壓裂改造提供指導(dǎo)。通過本文的分析得到如下認(rèn)識。

(1)基于礦物組成、巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)是常用的脆性評價指標(biāo)，但已不能滿足未來非常規(guī)儲層開發(fā)需要。這兩類方法是目前壓裂作業(yè)中常用的巖石脆性評價方法，其優(yōu)勢在于使用簡單，參數(shù)獲取方便，可利用錄井和測井?dāng)?shù)據(jù)快速求解。但是，由于儲層改造的目標(biāo)區(qū)已逐漸趨向于致密地層，與常規(guī)儲層和頁巖儲層有較大差異，這些脆性指數(shù)存在理論缺陷和應(yīng)用局限性，或缺乏針對性及實(shí)用性。因此，對未來非常規(guī)儲層針對性的巖石脆性評價標(biāo)準(zhǔn)的建立迫在眉睫。

(2)應(yīng)力—應(yīng)變曲線法仍需要進(jìn)一步研究。這類方法近年來發(fā)展較快，從理論上講，應(yīng)力—應(yīng)變曲線反映了巖石在外力作用下從開始變形到破壞的全過程，每段曲線的物理意義明確，但現(xiàn)階段對完整曲線的利用還不全面，對曲線的簡化還不夠完備，應(yīng)用時可能會得出與實(shí)際情況相矛盾的結(jié)論。如何建立完備的簡化模型描述復(fù)雜的實(shí)際曲線，是這類方法實(shí)用化的障礙之一。另外，實(shí)際應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)多樣，曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義仍不統(tǒng)一等問題制約著這類方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

(3)由壓裂效果出發(fā)的脆性定量評價指標(biāo)亟待建立?，F(xiàn)有的脆性評價方法都是從巖石本身的某些屬性出發(fā)，研究這些屬性對巖石脆性的影響，進(jìn)而提出脆性指數(shù)，缺少對脆性破裂效果的定量評價。對于壓裂改造來說，最終目標(biāo)是地下巖石破裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)，與油氣藏的接觸體積最大化。因此從壓裂效果出發(fā)，定量描述脆性破裂程度，從而研究破裂效果與巖石屬性的聯(lián)系，進(jìn)一步建立定量描述壓裂效果的巖石脆性指數(shù)，應(yīng)該是未來非常規(guī)儲層脆性評價的發(fā)展方向。