基于粒徑分類的致密砂巖力學(xué)特性及破壞特征研究
——以鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組為例

趙 寧，王 亮，張 磊，司馬立強(qiáng)，劉志遠(yuǎn)，溫登峰

1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；2.埃因霍芬理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，荷蘭 埃因霍芬 5612AZ；3.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059；4.中國(guó)石油 新疆油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；6.西南石油大學(xué) 團(tuán)委，成都 610500

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源消耗急劇上升，煤、石油、天然氣等常規(guī)能源供給與資源需求總量快速增長(zhǎng)之間的矛盾日漸加深，以致密砂巖氣、頁(yè)巖油氣、煤層氣為代表的非常規(guī)能源逐漸得到重視，其擁有分布廣、層系多以及儲(chǔ)量巨大等優(yōu)勢(shì)[1-4]。然而，我國(guó)非常規(guī)油氣具有成藏條件復(fù)雜、儲(chǔ)層致密、滲透率低等原生特點(diǎn)，導(dǎo)致大規(guī)模開(kāi)發(fā)還存在很多理論和技術(shù)上的難題[5-7]。其中，對(duì)深部地層巖體力學(xué)特性以及破壞機(jī)制的掌握，是非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)與利用的關(guān)鍵，也是困擾深部巖石力學(xué)發(fā)展的難題之一[8]。目前，在非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)工程中，通過(guò)壓裂改造在儲(chǔ)層中生成人工裂縫是實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)采的主要手段，然而，儲(chǔ)層壓裂難易、改造效果好壞與巖石類型和力學(xué)特性密切相關(guān)[9-11]。因此，開(kāi)展模擬地層條件下的巖石力學(xué)試驗(yàn)，探索其力學(xué)特性與破壞特征具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)應(yīng)力下巖石的力學(xué)特性以及破壞特征，進(jìn)行了大量研究工作，主要包括物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面。物理試驗(yàn)方面，前人采用單軸、三軸、拉張以及劈裂等試驗(yàn)方法，研究不同試驗(yàn)類型下巖石的強(qiáng)度特征和破壞機(jī)制，在不同類別載荷下巖石承受的最大應(yīng)力(強(qiáng)度極限)以及應(yīng)力和破壞之間的關(guān)系，反映了巖石承受各種載荷的特性和抵抗破壞的能力[12-14]。試驗(yàn)測(cè)試條件對(duì)巖石力學(xué)特性同樣有影響，前人在變圍壓、軸壓和加載路徑下分析巖石的變形損傷機(jī)制以及裂縫擴(kuò)展規(guī)律，認(rèn)為不同的壓力類型和加載路徑對(duì)巖石破壞裂紋的形態(tài)、數(shù)量和空間分布特征均有影響[15-17]。此外，前人也從巖石自身特性出發(fā)，探索巖石在含氣、含水狀態(tài)下的巖石力學(xué)特征及聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律，聲發(fā)射活動(dòng)會(huì)伴隨巖石整個(gè)破壞過(guò)程，在應(yīng)力峰前，聲發(fā)射信號(hào)較小，而在應(yīng)力峰后聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)劇增[18-20]。數(shù)值模擬方面，前人多基于經(jīng)典的數(shù)值計(jì)算方法或模型對(duì)巖石力學(xué)特性和破壞規(guī)律進(jìn)行研究，這些方法和模型主要包括離散元法、DDA算法、RFPA模擬法以及能量平衡模型等[21-23]。然而，上述研究無(wú)論是實(shí)際物理試驗(yàn)還是基于試驗(yàn)的數(shù)值模擬，均存在兩方面不可忽略的問(wèn)題：①地表?xiàng)l件下得到的力學(xué)特性與深部巖體高溫高壓狀態(tài)下的力學(xué)特性不能一概而論，兩者存在差異性；②地下取巖心寶貴，力學(xué)試驗(yàn)多為破壞性試驗(yàn)，一塊巖樣往往只能設(shè)計(jì)單一試驗(yàn)，近似深度旁側(cè)取心得到的試驗(yàn)結(jié)果之間缺乏可對(duì)比性。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文以平行試驗(yàn)為設(shè)計(jì)思路，開(kāi)展抗張強(qiáng)度測(cè)試以及模擬地層條件下的高溫高壓三軸力學(xué)試驗(yàn)。以國(guó)標(biāo)為基準(zhǔn)，將巖石劃分為中—細(xì)粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖和巨—粗粒巖屑砂巖，分析了三類巖性的礦物成分、物性與抗張及三軸力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，揭示了巖石粒徑對(duì)力學(xué)特性的影響；基于粒徑控制作用，總結(jié)了三類巖性在抗張和三軸力學(xué)作用下的破壞特征，旨在為鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖儲(chǔ)層壓裂改造提供參考。

1 巖樣特征與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品特征

試驗(yàn)樣品均來(lái)自鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系下石盒子組，該層位為一套沖積平原—辨狀河道相沉積的粗碎屑巖，與山西組河道砂體疊置，平面展布穩(wěn)定，主要發(fā)育低孔低滲、特低孔特低滲致密砂巖儲(chǔ)層[24-26]。

參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石薄片鑒定：SY/T 5368—2000》，鏡下觀察顯示，下石盒子組致密砂巖巖石類型可分為中—細(xì)粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖和巨—粗粒巖屑砂巖(圖1a-c)；肉眼觀察巖樣斷面及表觀特征，顆粒粒徑由細(xì)至粗，區(qū)分明顯(圖1d-f)。物性測(cè)試顯示，由中—細(xì)粒巖屑砂巖(平均孔隙度為4.18%，平均滲透率為0.035×10-3μm2)、粗粒巖屑砂巖(平均孔隙度為8.57%，平均滲透率為0.201×10-3μm2)至巨—粗粒巖屑砂巖(平均孔隙度11.43 %，平均滲透率為0.467×10-3μm2)，孔隙度與滲透率隨巖石粒徑變粗逐漸增大。巖石礦物組分以石英和黏土為主，巖石粒徑變粗，石英含量增大而黏土含量減??；長(zhǎng)石類型主要是鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石，其中脆性礦物含量(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽礦物)達(dá)到75 %(表1)。鑄體薄片分析顯示，巖石分選中等，磨圓類型以次棱—次圓為主，接觸關(guān)系多為線接觸，支撐關(guān)系為顆粒支撐；孔隙結(jié)構(gòu)以次生溶孔為主，類型多為粒間溶孔、長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔以及巖屑粒內(nèi)溶孔，孔隙連通性差且多為孤立狀(圖1g-i)。

表1 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組試驗(yàn)巖樣基礎(chǔ)參數(shù)

圖1 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組砂巖巖性與孔隙類型

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

按照試驗(yàn)規(guī)定尺寸，將鉆取的巖樣加工為三部分，采用平行巖樣的方式開(kāi)展試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性(圖2)。圖2中不規(guī)則巖樣A用于X衍射全巖分析，巖樣B(L=5.0cm，D=2.52cm)用于物性測(cè)試和高溫高壓三軸力學(xué)試驗(yàn)，巖樣C(L=2.52 cm，D=2.52 cm)則用于巴西劈裂法抗張強(qiáng)度試驗(yàn)；切割過(guò)程中，保證柱塞樣兩端面平整且與圓柱體軸線垂直，避免巖心柱面及兩端面存在不可修復(fù)的缺角。

圖2 平行巖樣切割示意

1.2.2 抗張力學(xué)試驗(yàn)

巖石抗張強(qiáng)度試驗(yàn)采用巴西劈裂法，參考地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第21部分 巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：DZ/T 0276.21—2015》。試驗(yàn)設(shè)備采用RTR-1000型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，探頭加荷速率為0.01 mm/s，沿圓柱體徑向施加相對(duì)線性載荷，使巖樣內(nèi)部沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力而破壞，由最大承載力求得巖石抗拉強(qiáng)度[27]。同時(shí)，為保證巖心破壞特征的自然合理性，而不是加荷探頭下壓過(guò)度所致，操作過(guò)程與實(shí)時(shí)軟件聯(lián)動(dòng)，當(dāng)法向力—時(shí)間曲線出現(xiàn)斷崖式下降時(shí)，即刻停止加荷探頭加載，反向提升探頭高度，保持巖心拉張破壞時(shí)的原始破壞特征并拍照記錄。本次試驗(yàn)由筆者在“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)完成。

1.2.3 三軸力學(xué)試驗(yàn)

巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)參考地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第20部分 巖石三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)：DZ/T 0276.20—2015》。試驗(yàn)設(shè)備采用RTR-1000型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試環(huán)境為模擬原始地層高溫高壓狀態(tài)，首先將加持器內(nèi)的溫度升至與地層溫度一致，再以0.05 MPa/s的加載速率將圍壓加至地層有效應(yīng)力值，保持溫度和圍壓在后續(xù)的測(cè)試中恒定(100 ℃，40 MPa)，軸向位移加載速率為0.06 mm/min。整體試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件記錄軸向載荷、軸向變形、徑向變形及應(yīng)變，拍照記錄三軸力學(xué)試驗(yàn)前后巖樣照片[28]。本次試驗(yàn)由筆者在“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗張力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

觀察致密砂巖試驗(yàn)樣品典型的法向力—時(shí)間變化曲線(圖3)。結(jié)果表明：①曲線初始階段變化平緩，表明三類巖性均存在明顯的內(nèi)部孔隙空間壓實(shí)，但不同粒徑巖石在該階段持續(xù)的時(shí)間有差異，巨—粗粒巖屑砂巖所用時(shí)間大于粗粒巖屑砂巖與中—細(xì)粒巖屑砂巖，表明巖石粒徑越粗，則內(nèi)部孔隙空間體積越大；②曲線斜率首次變化時(shí)刻有差異，中—細(xì)粒巖屑砂巖在45 s后曲線斜率顯著增大，粗粒與巨—粗粒巖屑砂巖對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為30 s與40 s；③曲線爬坡階段，巖石線彈性變形持續(xù)時(shí)間有差異，細(xì)粒徑巖性彈性變形持續(xù)的時(shí)間大于粗粒徑巖性；④一定時(shí)間過(guò)后巖石所承載的法向力突然降低，法向力—時(shí)間曲線形態(tài)出現(xiàn)斷崖式變化特征，表明巖石受到的拉張應(yīng)力超過(guò)其所能承受的最大載荷。

圖3 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組不同巖性致密砂巖法向力隨時(shí)間變化曲線

將最大法向力轉(zhuǎn)換成巖石抗張強(qiáng)度，下石盒子組致密砂巖抗張強(qiáng)度的分布范圍在1.12～6.45 MPa，平均值為2.46 MPa。分巖性統(tǒng)計(jì)分析表明，抗張強(qiáng)度隨巖石粒徑變細(xì)而呈增大的趨勢(shì)，細(xì)粒徑巖性抵抗拉張破壞的能力要優(yōu)于粗粒徑巖性。楊琦等[29]針對(duì)鄂爾多斯盆地南部長(zhǎng)8儲(chǔ)層進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)研究，測(cè)試所得砂巖巖樣抗拉強(qiáng)度分布范圍在5.23～5.68 MPa，平均值5.49 MPa，數(shù)值分布范圍窄且差異性小，下石盒子組致密砂巖與之相比，抗張強(qiáng)度具有明顯的巖石類型分異性。

2.2 三軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖4為下石盒子組致密砂巖典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。試驗(yàn)結(jié)果表明：①巖樣存在明顯的做功硬化階段，從微觀機(jī)制分析，做功硬化階段多由孔隙壓實(shí)或內(nèi)部微裂紋在應(yīng)力作用下閉合所造成，三類巖性應(yīng)力—應(yīng)變曲線皆包含該過(guò)程，但差異性主要體現(xiàn)在該階段曲線斜率上；②巖石強(qiáng)度峰后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線迅速跌落，巖石通常為張性破壞，以粗粒徑巖性為主；③當(dāng)巖石強(qiáng)度峰后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率絕對(duì)值和線彈性階段斜率相同，巖石多為剪切破壞，以細(xì)粒徑巖性為主；④當(dāng)軸向應(yīng)力超過(guò)峰值應(yīng)力后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線并未迅速跌落至某一應(yīng)力值，表明巖石并未喪失全部承載能力。

圖4 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組不同巖性致密砂巖三軸力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

分巖性統(tǒng)計(jì)三軸力學(xué)參數(shù)表明，巖石強(qiáng)度參數(shù)與彈性參數(shù)隨粒徑變細(xì)而逐漸增大，下石盒子組致密砂巖抗壓強(qiáng)度分布范圍為47.7～300.7 MPa，平均值147.37 MPa，彈性模量范圍為(7.163～16.41)×103MPa，平均值10.687×103MPa，泊松比范圍為0.123～0.244，平均值0.175。鄧輝等[30]針對(duì)四川盆地須家河組致密砂巖開(kāi)展三軸力學(xué)試驗(yàn)，得到平均抗壓強(qiáng)度與彈性模量分別為469.62 MPa和24.34×103MPa，表明致密砂巖在三軸力學(xué)特征上存在區(qū)域差異性。

3 討論

3.1 抗張力學(xué)參數(shù)的影響因素

從礦物成分及含量的角度分析不同粒徑巖石抗張強(qiáng)度的差異性。據(jù)X衍射全巖分析結(jié)果，三類巖性的礦物成分主要以石英與黏土為主，兩者含量達(dá)到94.3 %。石英、黏土含量與巖石抗張強(qiáng)度交會(huì)顯示(圖5a-b)，中—細(xì)粒至巨—粗粒巖屑砂巖，石英含量增加而黏土含量減小，不同粒徑巖石的抗張強(qiáng)度隨粒徑變粗呈減小趨勢(shì)；巖石粒徑越粗則石英含量越高，巖石抵抗拉張破壞的能力降低，反之黏土含量增加，巖石抵抗拉張破壞的能力增強(qiáng)。

分析巖石物性與抗張強(qiáng)度間的關(guān)系，巖石粒徑變粗，孔隙度與滲透率增大，巖石抗張強(qiáng)度減小。巖石粒徑變粗，石英含量增加而雜基含量減少，巖石內(nèi)部孔隙空間增大，巖樣疏松多孔，導(dǎo)致巖石抵抗拉張破壞的能力降低；反之粒徑變細(xì)，黏土含量增大，巖性致密，內(nèi)部孔隙空間減小，巖石抵抗拉張破壞的能力增強(qiáng)(圖5c-d)。

圖5 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組致密砂巖礦物成分、物性與抗張強(qiáng)度交會(huì)圖

3.2 巖石抗張破壞特征

觀察對(duì)比巖樣巴西劈裂試驗(yàn)前后照片，不同粒徑的巖石表現(xiàn)出不同的破壞特征。中—細(xì)粒巖屑砂巖沿徑向應(yīng)力集中發(fā)生拉張破壞，巖樣完全破裂，產(chǎn)生極少量巖石碎屑或無(wú)碎屑，巖石致密且強(qiáng)度大，多為脆性拉張劈裂破壞，破壞后特征為瓣?duì)钔暾麕r塊(圖6a)。粗粒巖屑砂巖同樣沿徑向應(yīng)力集中發(fā)生拉張破環(huán)，但巖石強(qiáng)度稍低，表現(xiàn)出明顯的彈塑性變形，沿徑向產(chǎn)生明顯的斷口裂紋，無(wú)細(xì)小巖石碎屑掉落，巖樣整體結(jié)構(gòu)保持較為完整(圖6b)。巨—粗粒巖屑砂巖表現(xiàn)出疏松且剛性低的特征，巖樣因應(yīng)力集中發(fā)生拉張破壞，徑向斷口周邊強(qiáng)烈基質(zhì)型破壞，產(chǎn)生大量巖石碎屑，巖樣無(wú)法保持原有結(jié)構(gòu)的完整性(圖6c)。

不同粒徑巖石的法向力—時(shí)間曲線同樣存在差異性(圖6d-f)。根據(jù)曲線的峰前、峰后形態(tài)可劃分為3個(gè)階段：階段Ⅰ，探頭準(zhǔn)備(OA)，即加荷探頭下探但并未實(shí)質(zhì)性接觸巖樣，法向應(yīng)力隨時(shí)間不變。該階段曲線沒(méi)有實(shí)際意義且不能代表巖樣的力學(xué)性質(zhì)。階段Ⅱ，破裂穩(wěn)定發(fā)展至非穩(wěn)定破裂(AB)，微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段表現(xiàn)為彈塑性變形，巖樣內(nèi)部出現(xiàn)新的微破裂，并隨應(yīng)力增大而逐漸發(fā)展。本階段上界應(yīng)力(B點(diǎn)應(yīng)力)為巖樣抵抗拉張破壞的峰值應(yīng)力，由圖6f可知，巨—粗粒巖屑砂巖在該階段曲線的斜率以及峰值應(yīng)力小于中—細(xì)粒巖屑砂巖和粗粒巖屑砂巖。階段Ⅲ，破壞后(B點(diǎn)后)，該階段巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，形成宏觀斷裂面，巖樣承載力迅速下降，三類巖性曲線表現(xiàn)出相似的特征。

圖6 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組不同巖性致密砂巖抗張?jiān)囼?yàn)破壞特征測(cè)試后巖樣破壞特征：a.中—細(xì)粒巖屑砂巖，2 987.5 m；b.粗粒巖屑砂巖，3 102.7 m；c.巨—粗粒巖屑砂巖，3 026.82 m

綜上，石英含量高的巖石物性好，內(nèi)部孔隙空間大，同時(shí)較低的黏土含量造成骨架顆粒間膠結(jié)程度差，巖石整體抵抗破壞的能力弱；反之，巖石黏土含量高而石英含量低，骨架顆粒間膠結(jié)緊密，其抵抗破壞的能力較強(qiáng)。中—細(xì)粒巖屑砂巖至巨—粗粒巖屑砂巖，巖石粒徑變粗，巴西劈裂試驗(yàn)依次表現(xiàn)出脆性拉張破壞[31-33]、彈塑性拉張破壞[34-35]以及基質(zhì)型混合拉張破壞[36]。

3.3 三軸力學(xué)參數(shù)的影響因素

巖石三軸力學(xué)特性與抗張力學(xué)特性類似，物性、礦物成分與三軸力學(xué)參數(shù)同樣具有相關(guān)性。由石英、黏土與巖石抗壓強(qiáng)度以及彈性模量的關(guān)系(圖7a-d)可見(jiàn)，不同粒徑巖石礦物成分存在差異性，其三軸力學(xué)參數(shù)同樣有區(qū)分，隨著巖石粒徑變粗，石英含量增大，黏土含量降低，巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量減??；反之，巖石粒徑越細(xì)，其抗壓強(qiáng)度與彈性模量越大。

分析巖石物性與抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間的關(guān)系(圖7e-h)，粗粒徑巖石物性好，其抗壓強(qiáng)度與彈性模量??；細(xì)粒徑巖石物性差，其抗壓強(qiáng)度與彈性模量大。石英含量增加而雜基含量減少，巖石內(nèi)部孔隙空間增大，巖心疏松，應(yīng)力作用下抵抗三軸壓縮破壞的能力弱；反之，巖石粒徑細(xì)，黏土含量增大且?guī)r性致密，內(nèi)部孔隙空間小，應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性變形所需要的應(yīng)力較大，巖石抵抗三軸壓縮破壞的能力強(qiáng)。

圖7 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組致密砂巖礦物成分含量、物性與三軸力學(xué)參數(shù)交會(huì)圖

3.4 巖石三軸破壞特征

觀察對(duì)比巖樣三軸力學(xué)試驗(yàn)前后照片，不同粒徑巖石類型表現(xiàn)出不同的破壞特征。中—細(xì)粒巖屑砂巖以剪切破壞為主，在壓力載荷下產(chǎn)生的巖石碎屑少，裂紋類型為一條貫穿柱塞樣兩端面的整齊剪切斷口，接近端面處見(jiàn)與斷口走向平行的輕微劈裂破壞，巖樣能夠保持原有結(jié)構(gòu)的完整性(圖8a)。粗粒巖屑砂巖主要為貫穿型剪切破壞并伴生表面基質(zhì)破壞，以剪切破壞為主，裂紋斷口走向與巖心軸線斜交，伴生與軸線平行的表面劈張破壞，柱塞樣能保持原有結(jié)構(gòu)完整性但伴生少量的巖石碎屑(圖8b)。巨—粗粒巖屑砂巖為混合破壞，柱塞樣遭完全壓毀，劈裂破壞貫穿巖樣，肉眼未見(jiàn)整齊裂紋，巖心沿軸線加載方向爆發(fā)性破壞，屬于整體型基質(zhì)破壞，產(chǎn)生大量巖石碎屑，巖樣不能保持原有結(jié)構(gòu)的完整性(圖8c)。

不同粒徑巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征同樣存在差異性(圖8d-f)。根據(jù)曲線的峰前、峰后形態(tài)可劃分為4個(gè)階段：階段Ⅰ，孔隙、裂隙的壓密(OA)，即巖樣中原有張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性形變。巨—粗粒巖屑砂巖該部分曲線的斜率明顯小于中—細(xì)粒巖屑砂巖與粗粒巖屑砂巖，呈上凹型(圖8f)。本階段變形在粗粒巖石中較為明顯，而堅(jiān)硬少裂隙的細(xì)粒徑巖石不明顯，甚至不顯現(xiàn)。階段Ⅱ，彈性變形(AB)，該階段曲線呈近似直線，變形量隨應(yīng)力增大呈正比例增加，而且表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形。B點(diǎn)的應(yīng)力可視為彈性極限，巖石粒徑變粗，則應(yīng)力—應(yīng)變曲線的彈性階段呈減小的趨勢(shì)。階段Ⅲ，累進(jìn)型破裂(BC)，該階段應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，某些薄弱部位首先破壞，應(yīng)力重新分布，又引起次薄弱部位破壞，體積壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，直至巖樣完全破壞。本階段上界應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度，巖石粒徑變粗，則峰值強(qiáng)度呈減小的趨勢(shì)。階段Ⅳ，破壞后(C點(diǎn)后)，該階段巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，裂隙快速發(fā)展、交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，巖樣承載力隨形變?cè)龃笱杆傧陆?，但并不降?。巨—粗粒巖屑砂巖曲線C點(diǎn)后應(yīng)力快速下降，表明其破壞后的承載力小于中—細(xì)粒巖屑砂巖與粗粒巖屑砂巖。

圖8 鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組致密砂巖三軸力學(xué)試驗(yàn)破壞特征及軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線三軸破壞特征：a.中—細(xì)粒巖屑砂巖，3 102.7 m；b.粗粒巖屑砂巖，3 159.93 m；c.巨—粗粒巖屑砂巖，3 016.49 m

綜上，黏土含量高的巖石其骨架顆粒間膠結(jié)緊密且內(nèi)部孔隙空間小，巖石整體剛性好，抵抗變形能力強(qiáng)；反之，巖石黏土含量低，其抵抗變形能力弱。中—細(xì)粒巖屑砂巖至巨—粗粒巖屑砂巖，巖石粒徑變粗，三軸壓縮試驗(yàn)依次表現(xiàn)出脆性剪切破壞[37]、彈塑性剪切破壞[38]以及基質(zhì)型混合剪切破壞[39]。

4 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖可分為中—細(xì)粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖以及巨—粗粒巖屑砂巖。

(2)巖石粒徑是控制下石盒子組致密砂巖抗張力學(xué)特性和破壞特征的關(guān)鍵因素。粒徑越細(xì)則巖石抵抗拉張破壞的能力越強(qiáng)；反之，粒徑變粗其抵抗拉張破壞的能力變?nèi)酢Ｖ小?xì)粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖至巨—粗粒巖屑砂巖，抗張?jiān)囼?yàn)依次表現(xiàn)出脆性拉張破壞、彈塑性拉張破壞以及基質(zhì)型混合拉張破壞。

(3)粒徑是造成下石盒子組致密砂巖力學(xué)參數(shù)與破壞特征產(chǎn)生差異的重要原因。粒徑越細(xì)則巖石抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)；中—細(xì)粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖至巨—粗粒巖屑砂巖，三軸力學(xué)試驗(yàn)依次表現(xiàn)出脆性剪切破壞、彈塑性剪切破壞以及基質(zhì)型混合剪切破壞。

(4)針對(duì)鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖儲(chǔ)層，在壓裂改造過(guò)程中除了考慮地應(yīng)力及施工作業(yè)條件外，巖石類型差異也會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)和破壞特征的改變，這一因素應(yīng)引起足夠的重視。

致謝：感謝審稿專家給予本文提出的寶貴意見(jiàn)，感謝中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院在課題研究中給予的幫助，感謝本人在荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)訪學(xué)期間國(guó)家留學(xué)基金委的資助。