不同圍壓下頁巖力學(xué)特性的實驗研究

王興義，劉殿琛，李曜軒

不同圍壓下頁巖力學(xué)特性的實驗研究

王興義1，劉殿琛2，李曜軒1

（1. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

采用TAW-2000巖石三軸壓縮試驗機(jī)對頁巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析了圍壓對頁巖抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)的影響。結(jié)果顯示：（1）頁巖的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量與圍壓之間呈正增長趨勢，泊松比與圍壓之間呈負(fù)增長趨勢；（2）隨著圍壓的不斷上升，頁巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量增長幅度表現(xiàn)出先上升后下降；（3）伴隨著圍壓平衡上升，頁巖的宏觀破壞現(xiàn)象是第一組無裂紋，10 MPa時出現(xiàn)較小的裂紋，上升至15 MPa和20 MPa時出現(xiàn)了明顯的破裂現(xiàn)象，根據(jù)宏觀的破裂現(xiàn)象推導(dǎo)出頁巖的破壞模式主要表現(xiàn)為先拉伸再剪切的斷裂式破壞。

頁巖；宏觀力學(xué)特性；抗壓強(qiáng)度；泊松比；楊氏模量

我國頁巖油氣資源儲量豐富，但由于頁巖地層分布區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，容易引起裂縫、節(jié)理、斷層發(fā)育，頁巖儲層巖性明顯不同于砂巖和碳酸鹽巖儲層，而且隨著開采頁巖油氣深度的增加頁巖的宏觀力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生顯著的改變，對其開采效率的影響十分巨大。迄今為止有大量的領(lǐng)域?qū)＜覍搸r的宏觀力學(xué)特性及其成因進(jìn)行了深入的研究。尹帥等人對頁巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗，研究了頁巖在單軸壓縮下的抗壓強(qiáng)度，泥頁巖單軸抗壓破裂呈張性或張剪性，張性破裂易發(fā)生于剛度較高、固結(jié)程度較強(qiáng)的部位，而剪性破裂易發(fā)生于剛度較低、固結(jié)程度較弱的部位[1]；張永澤等在對頁巖的抗壓強(qiáng)度展開了論述，證明了不同的測試前提下頁巖破裂成因的各向異性，推斷出頁巖宏觀物理特性和破裂成因的各向異性之間的規(guī)律[2]；張全林等分析了四川龍馬溪組不同地區(qū)頁巖儲層各項指標(biāo)，分析顯示，同一組塊不同地區(qū)的頁巖在宏觀物理特性上差異較大[3]。時賢設(shè)計研究了頁巖壓裂網(wǎng)格縫，獲得了抗壓強(qiáng)度和彈性模量對頁巖壓裂的影響，為頁巖儲層壓裂效果提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)[4]；沈國軍等采用巴西圓盤法來測定頁巖在垂直層理和水平層理上的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)[5]；李育采用三軸壓縮實驗和ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了細(xì)宏觀缺陷對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響，依據(jù)巖石力學(xué)理論基礎(chǔ)建立了考慮細(xì)宏觀缺陷的頁巖損傷本構(gòu)模型[6]；倪紅堅等人通過室內(nèi)二氧化碳浸泡實驗系統(tǒng)，對不同壓力和溫度浸泡下頁巖巖心力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行實驗研究和機(jī)制闡釋[7]；劉圣鑫等人利用定量化研究了頁巖脆性顆粒和有機(jī)黏土復(fù)合體以及不同紋層的彈性模量和硬度，分析了影響其微觀力學(xué)性質(zhì)的主控因素[8]；Xiaofeng Chen等的研究結(jié)果得出，臨界和亞臨界裂縫行為對流體化學(xué)環(huán)境的依賴性，這對頁巖儲層水力裂縫的發(fā)育以及廢水和CO2儲集層蓋層完整性有很大的影響[9]；Fei Gong等深入研究了機(jī)械壓實應(yīng)力對頁巖物理彈性性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：材料的物理和彈性特性(即孔隙率、密度、聲速等)對泥巖的壓實應(yīng)力和黏土礦物類型影響差異很大[10]。通過以上資料得出了頁巖的抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量的大致范圍，同時也為下一步研究提供了許多經(jīng)驗公式，使之能更好地與實際情況相匹配。本文的具體物理實驗是以某頁巖油氣開采地區(qū)采集的頁巖作為試驗對象，采用圍壓梯度分別為0、10、15、20 MPa進(jìn)行所需的物理性質(zhì)的室內(nèi)研究，探究出該地區(qū)頁巖的力學(xué)參數(shù)和圍壓之間的不同關(guān)系，然后將其參數(shù)代入前人的經(jīng)驗公式中進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而分析頁巖的破壞模式。

1 不同圍壓下頁巖力學(xué)參數(shù)的實驗研究

本文所做三軸壓縮實驗是模擬巖石所在不同井深處地層的溫度和應(yīng)力條件下頁巖的力學(xué)參數(shù)，準(zhǔn)確分析研究區(qū)域內(nèi)頁巖的三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等物理性質(zhì)，歸納不同圍壓下頁巖的變形和強(qiáng)度特征，并擬合頁巖三軸壓縮試驗的完整應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)合試驗后巖樣的斷裂分布得出頁巖產(chǎn)生的破壞模式。

1.1 實驗裝備和實驗試樣

本實驗采用的主要裝置是TAW-2000巖石三軸壓縮試驗機(jī)。它是目前國內(nèi)比較全面的巖石力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)（如圖1所示）。

圖1 TAW-2000巖石三軸壓縮試驗機(jī)

根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）標(biāo)準(zhǔn)和我國工程巖體試驗方法，將此次室內(nèi)進(jìn)行三軸力學(xué)試驗巖樣的式樣規(guī)格、加工精度、含水量都做到標(biāo)準(zhǔn)情況，減少誤差的出現(xiàn)（如圖2所示）。

圖2 實驗前頁巖試樣

1.2 實驗步驟

巖石常規(guī)三軸壓縮試驗對巖樣施加圍壓在周向上保持一致(2=3)，即水平向巖心所受載荷是均勻的。然后增加軸向壓力1直到巖樣破壞。

地層溫度和圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗步驟如下：

（1）在室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)巖樣加工。

（2）密封巖心。

（3）密封巖樣環(huán)向和軸向傳感器的安裝。

（4）開始給圍壓筒加熱，通過圍壓筒內(nèi)外溫度的控制，使圍壓筒內(nèi)巖心所處的溫度為設(shè)定值。

（5）加圍壓，先用活塞控制使圍壓預(yù)加載到1 MPa，然后以50 N/s的速度加載到預(yù)定值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 頁巖試樣三軸試驗參數(shù)

本實驗?zāi)M地層溫度和圍壓條件，測試三軸力學(xué)參數(shù)。試驗溫度為55 ℃，圍壓為0~20 MPa。頁巖的宏觀力學(xué)性質(zhì)隨圍壓和溫度的升高呈指數(shù)變化；而且頁巖存在應(yīng)力閾值，且溫度越高，應(yīng)力閾值越低，頁巖被破壞時間越短；在前人資料得出55 ℃下頁巖破壞模式主要為沿斜截面的剪切破壞，且圍壓在0~20 MPa時頁巖破壞較為明顯[11]。利用TAW-2000巖石三軸壓縮試驗機(jī)，測試巖石試件的三軸抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比。所得頁巖的宏觀物理性質(zhì)如表1所示。

表1 圍壓不同下頁巖力學(xué)參數(shù)測試數(shù)據(jù)

通過四組實驗數(shù)據(jù)以及所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線分析可知：頁巖三軸抗壓強(qiáng)度范圍在145.907~211.13 MPa之間，平均值為188.84 MPa；泊松比的范圍在0.12~0.145，平均值在0.135；彈性模量的范圍在19.66~0.145 GPa，平均值在0.135 GPa。由上述力學(xué)參數(shù)測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，頁巖承受的圍壓值越大，頁巖的三軸抗壓強(qiáng)度增加，巖石的彈性模量也隨之增大，泊松比隨著減小。這是因為在外應(yīng)力作用下，巖石本身的孔隙和裂隙發(fā)育，結(jié)果巖石的不均勻變形增加，在外力作用下，巖石局部會產(chǎn)生新的微裂紋，微裂紋會導(dǎo)致巖石局部應(yīng)力集中，從而影響了巖塊整體強(qiáng)度。當(dāng)給巖石施加圍壓后，巖石的壓實抑制了微裂紋的擴(kuò)展，圍壓越高，抑制裂縫擴(kuò)展的能力越強(qiáng)，即所謂的巖石所受周向應(yīng)力的增加，對應(yīng)的極限抗壓強(qiáng)度增大的特征；由于圍壓抑制裂縫的擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)變保持不變時，圍壓越高的試件所承受的壓力越大，從而造成試件的彈性模量也會增大。

2.2 頁巖試樣破壞模式分析

通過有限元虛擬仿真頁巖在不同圍壓情況下的實際受力情況的微觀表現(xiàn)[6]（如圖7），觀察圖（a）可知，當(dāng)圍壓為0 MPa時，頁巖的破壞形式分布均勻，以拉伸破壞為主；當(dāng)圍壓增至10 MPa時（如圖b），對應(yīng)頁巖的破壞模式變?yōu)椋洪_始從頁巖巖樣出現(xiàn)明顯的拉伸破壞；圍壓上升到15 MPa時，頁巖試件的中間區(qū)域開始顯現(xiàn)明顯的一段剪切破壞，同時也存在少量上下加載的拉伸破壞；當(dāng)所加圍壓持續(xù)上升至20 MPa時，頁巖的破壞模式幾乎只存在剪切破壞。根據(jù)以上結(jié)論我們可以推斷出頁巖的破壞模式主要表現(xiàn)為先拉伸再剪切的斷裂式破壞。

圖4 不同圍壓作用下頁巖抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

圖5 不同圍壓作用下頁巖泊松比的變化規(guī)律

圖6 不同圍壓作用下頁巖彈性模量的變化規(guī)律

3 結(jié) 論

（1）隨著圍壓的增大，頁巖的抗壓強(qiáng)度增大；頁巖彈性模量隨圍壓的增大而增大，泊松比隨圍壓的增大而減小。

（2）在頁巖模擬三軸壓縮試驗條件下，隨著圍壓的增加，頁巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈上升趨勢；而且頁巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的上升幅度隨著圍壓的不斷增大表現(xiàn)出了先上升后下降的改變規(guī)律。所以說，改變頁巖開采過程中的圍壓大小只能在部分范圍內(nèi)對頁巖的峰值抗壓強(qiáng)度和彈性模量起到比較明顯的改變作用。

（3）通過對有限元模擬的頁巖微觀裂縫分布的分析，隨著圍壓不斷上升，頁巖試樣的破裂形式主要表現(xiàn)為先拉伸再剪切的斷裂式破壞。

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Experimental Study on the Mechanical Properties of Shale Under Different Confining Pressures

1,2,2

（1. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China; 2. Drilling & Production Technology Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Sichuan Guanghan 618300, China）

The mechanical properties of shale were studied by the TAW-2000 rock triaxial compression testing machine, and the influence of confining pressure on mechanics parameters of shale compressive strength, Young's modulus and Poisson's ratio was analyzed, The results showed that: (1) there was a positive growth trend between shale compressive strength, Young's modulus and confining pressure, there was a negative growth trend between Poisson's ratio and confining pressure; (2) with the continuous increase of confining pressure, the compressive strength and elastic modulus of shale increased first and then decreased; (3) when the confining pressure balance was increased by the triaxial compression machine, the macroscopic failure phenomenon of shale was as follows: no cracks appeared in the first group; at 10 MPa, a small crack appeared, and at 15~ 20 MPa,obvious fractures appeared. According to the macroscopic fracture phenomenon, it was deduced that the failure mode of shale was mainly the fracture failure of stretching first and then shearing.

shale; macroscopic mechanical properties; compressive strength; Poisson's ratio; Young's modulus

2019-10-14

王興義（1998-），男，就讀于長江大學(xué)石油工程學(xué)院。

TE122.2+3

A

1004-0935（2020）01-0038-04