页岩宏观破裂模式与微观破裂机理

钟建华，刘圣鑫，马寅生，尹成明，刘成林，李宗星，刘选，李勇（. 中国石油大学（华东）；2. 中国科学院广州地球化学研究所；. 中国地质科学院地质力学研究所；4. 中国地质科学院页岩油气评价重点实验室）

页岩宏观破裂模式与微观破裂机理

钟建华1, 2，刘圣鑫1，马寅生3, 4，尹成明3, 4，刘成林3, 4，李宗星3，刘选1，李勇1
（1. 中国石油大学（华东）；2. 中国科学院广州地球化学研究所；3. 中国地质科学院地质力学研究所；4. 中国地质科学院页岩油气评价重点实验室）

摘要：通过对页岩组构特征、力学特征、裂纹和断口微观形貌特征的研究，揭示了页岩宏观破裂的微观机制、控制 因素及其破裂模式。研究表明，页岩的宏观破裂受到组构特征、取心方向、围压等多种因素的影响，由页岩内部发 育的孔隙和微裂隙扩展、合并、贯通而形成。宏观破裂模式包括剪切型破裂、拉张型破裂和滑移型破裂，微观上， 微裂隙破裂主要包括剪切滑移型（Ⅱ型）、拉张型（Ⅰ型）两种类型。本质上，页岩的剪切破裂和滑移破裂都是由于 微裂隙的剪切滑移破裂引起的，只因受页岩结构的影响表现出不同的破裂模式；拉张型破裂是由于微裂隙的张性扩 展引起的。另外，宏观破裂过程中，微裂隙的剪切和拉张两种破裂共存，但对宏观破裂贡献大小不同。最后建立了 页岩的破裂模式，即剪切型破裂、拉张型破裂和滑移型破裂，并从微观上解释了宏观破裂的微观机理。图14表1参24

关键词：页岩；宏观破裂模式；微观破裂机理；微裂隙；剪切破裂；拉张破裂

0　引言

中国页岩气资源丰富，已引起能源界的广泛关注[1-2]。但页岩气储集层具有极低的孔隙度和渗透率，商业开采需大规模水力压裂改造。国内外学者对页岩（或层状岩石）的力学特征、破裂模式等已做了大量研究[3-9]，但对页岩破裂的微观机理研究不足。而页岩破裂的微观机理研究对压裂改造改善页岩的渗透性、次生裂纹扩展预测、分析弱面作用以及提高采收率等均具有重要意义。1920年，Griffith依据能量理论，首先指出固体的宏观破裂是从固体内部存在的微裂隙处开始的[10]。谢和平等[11]对岩石断裂的微观机理进行分析后指出，岩石的最终宏观断裂与其内部的微结构及微缺陷紧密相关。要彻底查明岩石的断裂机理，就必须从微观角度研究岩石的断裂过程。另外，页岩是一种具有纹层与页理构造的细粒沉积岩，这种特殊组构必然会对岩石的破裂产生一定影响。Nasseri等[12]对页岩和板岩进行了三轴实验研究，认为力加载方向和围压是使岩石按不同模式破坏的主要影响因素。本文基于对渤海湾盆地东营凹陷沙河街组沙三、沙四段富含有机质页岩组构特征、力学特征的研究，分析页岩宏观破裂的微观机理，并建立页岩的破裂模式。

1　实验方法及样品制备

采用页岩微观结构观察、全应力应变和声波测量等多种实验方法研究页岩组构特征和力学特征。为研究结构面对页岩力学性质的影响，设置结构面与轴心或主应力的夹角（β）分别为0°、45°、90°（见图1）。力学测试前，将取自井下的岩心加工成标准圆柱试样，规格为Φ25 mm×50 mm。样品取自济阳坳陷东营凹陷同一地区11口井古近系沙河街组沙三、沙四段，埋深2 274.70～3 341.90 m，多数样品层理非常发育，为黑色粉砂质页岩，只有3块页岩样品层理不很发育，为黑色泥页岩。制作页岩标准测试岩样23块，均表观完整，其中9块肉眼可见裂缝。三轴压缩实验采用中国石油大学（华东）SAM-1000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，实验温度为常温（20 ℃）。室内三轴力学实验结果见表1。为观察页岩组构特征，对样品进行氩离子抛光处理，采用扫描电镜观察页岩垂直和平行层理面方向矿物组分的粒径、空间分布及内部孔隙特征。为观察页岩破裂后断口和裂纹的形貌特征，在不受任何外力的情况下，采用中国石油大学（华东）化学化工学院重质油实验室S-4800冷场扫描电镜对页岩的微观结构进行分析。

图1　层理面取心示意图（σ1—最大主应力；σ2—中间应力；σ3—最小应力）

表1　页岩三轴力学实验结果

2　页岩的组构特征

页岩是一种具有纹层与页理构造的细粒（粒径一般小于0.004 mm）沉积岩，具有特殊的组构特征。沿垂直层理方向（见图2a）可以看出，岩样的纹层非常发育，不同纹层所含矿物成分差别较大。颜色较深的纹层含更多的黏土矿物和有机质，颜色较浅的纹层含更多的碎屑矿物。软弱面的厚度和连续性也有较大差别，有的厚度较大，且连续性好，有的则较差。由氩离子抛光后样品扫描电镜图像可以看出（见图2b，2c），页岩中的鳞片状黏土矿物和有机质的排列方向与层理方向基本平行（见图2b、2c中箭头方向），多呈狭条状。刚性颗粒如石英、碳酸盐等含量较少，呈基底式胶结。刚性颗粒间的基底式胶结使黏土矿物与颗粒之间的连接薄弱，微观不连续性突出。黏土矿物的片理中（见图2d）存在不规则的碎屑颗粒和自生矿物，会降低软弱面的抗压抗拉强度，页岩受力容易沿着层理方向开裂。宏观上，层理面是一个比较规则的“弱面”，但微观上（微—纳米级），层理面并不是一个规则的面，在显微镜下呈很明显的凹凸不平状（见图2e），黏土矿物和有机质也不再呈条带状，多为形状不规则或椭圆状颗粒（见图2f、2g）。

图2　页岩组构分析照片

在扫描电镜下，观察到大量的微米、纳米级孔隙和微裂隙。由图2b、2c可见，沿垂直层理方向，页岩中的孔隙如粒间孔、粒内孔、微裂隙多呈条带状，长轴方向大体与页理面一致。但仍有大量的孔隙和裂隙受到颗粒界面和构造运动的控制，呈不规则展布。沿层理方向，孔隙形状不规则，多为圆孔状、椭圆状等（见图2f、2g、2h）。

综上，页岩的显著特点是：①内部存在由大量黏土矿物组成的层理、片理、微裂隙等软弱结构面；②微—纳米级孔隙、微裂隙非常发育，从统计角度看，孔隙的长轴方向多与层理方向一致或夹角很小。页岩在纵向和横向上存在明显的各向异性，不是理想的连续介质。

3　页岩的宏观破裂及其力学特征

3.1 页岩的破裂模式

页岩的破裂模式受到多种因素的影响，如：取心方向、围压、孔隙的发育特征等。三轴压缩实验结果显示，页岩破裂模式主要表现为3种（见图3）：①拉张型破裂（样品F5、F8、F4-1、F2-1、W1）；②剪切破裂（样品F3-1、F3-2、F2-2、F4-2、F6）；③滑移破裂（样品F7-2、Z1）。

图3　三轴压缩实验后样品照片（样品规格为Φ25 mm×50 mm）

根据孙广忠[13]岩体结构控制论，岩体结构控制着岩体变形、破裂及其力学性质，岩体结构对岩体力学的控制作用远大于岩石材料。尽管页岩岩块与岩体不能完全等同，但两者有相似之处，即在页岩中也存在软弱结构面。尽管页岩中软弱面的厚度、连续性较差，但对页岩的破裂同样具有控制作用[7,12]。由图3可以看出，当β分别为0°、10°、45°时，主要发生张破裂和滑移破裂。裂纹的扩展演化主要是在软弱面中发生，且多发生在结构面的胶结处，贯通裂纹一般存在于厚度大、连续性好的软弱面中。由图3e可见，从W1样品外表看裂纹扩展演化并没有沿着软弱面发展，但观察破裂面时发现，由于层理面凹凸不平，样品实际上还是沿软弱面破裂，表明岩石内部构造特征影响岩石的破裂模式。当β为90°时，在三轴压缩实验中，样品发生剪切破裂，贯通裂纹的方向与最大主应力的方向基本一致。

在取样过程中，由于页岩层理之间的黏聚力小，容易沿层理面断裂。图3中黄色虚线表示制样过程中形成的断层面。岩石在外力作用下，贯通裂纹可能沿着断层面摩擦滑动，也可能穿过断层面破裂，这取决于断层面与最大主应力之间的夹角大小和加载条件[14]。当断层面与主应力之间的夹角为90°时（如F2-2、F6、F4-2样品），裂纹穿过了断层面破裂；当夹角为45°时（F7-2样品），裂纹沿着断层面摩擦滑动，而没有穿过断层面破裂。岩样F3-2中有两条断层面，上部断层面与主应力之间的夹角为90°，裂纹穿过断层面，下部断层面与主应力之间的夹角为30°，裂纹没有穿过断层面，而是沿着断层面发生了摩擦滑动。

3.2 页岩的力学特征分析

页岩的力学破裂整体上具有显著的脆性断裂特征，受取心方向、围压等多种因素影响，其力学性质表现出明显的各向异性。

3.2.1 取心方向对力学特征的影响

取心方向对页岩的力学特征有明显影响[7,15]。图4、图5分别给出了不同围压条件下（40 MPa、30 MPa、20 MPa）页岩的抗压强度、弹性模量与β的关系，可以看出，夹角相同时，抗压强度随围压的增加而增加，弹性模量随围压的增加而增加；同一围压条件下，随着夹角的增大，页岩的抗压强度先减小后增大；弹性模量随夹角的增大而减小。β为45°时，抗压强度最小，这是由于软弱面的摩擦系数小，页岩破裂受到软弱面的控制，发生了摩擦滑移破裂；β为0°时的抗压强度要高于β为90°时，这可能是因为β为0°时页岩的抗压 强度受到富含碎屑颗粒的纹层控制，而富含碎屑颗粒的纹层具有较高的抗压强度；β为90°时软弱面被压缩时容易发生变形，进而造成微裂隙的扩展破裂。弹性模量随β增大而减小，是因为软弱面易被压缩，随着β增大，软弱面所起的作用就会越大。

图4　不同围压条件下页岩抗压强度与β关系

图5　不同围压条件下页岩弹性模量与β关系

3.2.2 断层面对抗压强度的影响

图6给出了β分别为90°、0°时，围压与抗压强度关系以及存在断层面对抗压强度的影响，由图可以看出，页岩的抗压强度随围压的增加而增加；围压相同时，断层面的存在降低了抗压强度。图7给出了页岩抗压强度随弹性模量的变化趋势，可以看出，抗压强度随弹性模量的增加而增加。

3.2.3 页岩的体积膨胀

图6　抗压强度随围压变化拟合图

图7　抗压强度随弹性模量变化拟合图

岩石变形破裂本质是微观结构破裂，裂隙增大，体积膨胀，进而形成主破裂[16]。图8为页岩的全应力-应变曲线，蓝色曲线为页岩的体积应变曲线，由图可以看出，岩石弹性变形阶段以后，在持续的差应力作用下，微裂隙缓慢生长并形成新的微破裂。当应力达到某一临界值时，新的微裂纹加速生长，并出现新一级微裂纹，引起岩石总体积的变化（出现膨胀），导致渗透率增大，同时电阻率（饱含水情况）降低，岩石的波速减小[17-18]（见图9）。

3.2.4 压应力下微裂隙扩展类型

图8　页岩三轴压缩应力-应变关系（ε1—轴向应变；ε2—横向应变；εv—体积应变）

图9　岩石波速与应变关系曲线

页岩气储集层体积压裂实践表明，最常见的裂缝为Ⅰ型和Ⅱ型[19]。从微观角度看，页岩的宏观裂缝是由于页岩中弥散着大量的随机分布的微孔隙和微裂隙，在外力作用下，微裂隙发生了扩展、合并、贯通。这些大小、形态、方向各异的微裂隙，主要有3种演化趋势：剪切滑移型破裂趋势，拉张型破裂趋势及稳定闭合趋势。当宏观破裂发生时，这3种演化趋势同时存在，只是所起作用大小不同。

图10a中有一条受压闭合的微裂隙，微裂隙随着载荷增加发生稳定扩展。随着荷载的增加，微裂隙面发生摩擦滑移，造成微裂隙端部应力集中，从微裂隙端部附近开始扩展，扩展方向与微裂隙方向不一致，而是偏转一定角度，朝拐折方向扩展，破裂从初始断裂角开始之后很快向最大压应力方向渐进。理论研究和实验测量结果表明断裂角（θ）约为70.5º[20]，扩展部分为拉张性破裂，此裂纹为Ⅱ型裂纹。

图10b中微裂隙平行于层理方向，在压应力的作用下形成的张性拉力使裂纹面之间的闭合程度很弱，裂纹面之间的摩擦力很小。裂纹不但没有闭合，张开程度往往增加，变形成为扁椭圆，其长轴和主应力的作用方向平行，此裂纹为Ⅰ型裂纹。

3.3 裂缝的发育特征

图10　压应力作用下裂纹扩展示意图

由图3可以看出，拉张型破裂（β=0°、10°）发生时，除形成贯通裂纹以外，还发育了大量的微裂纹，众多黏聚力小的软弱面发生了拉张性破裂，软弱面的密度越高，形成的裂纹就越多；剪切破裂（β=90°）时，裂纹发育最差，一般发育一条或几条主裂纹，微裂纹发育很少，这是因为软弱面被压实，多数微裂隙发生了闭合；滑移破裂时，有的微裂隙滑移摩擦形成剪切性破裂裂纹，还有一定数量的微裂隙发生闭合。围压越高产生的微裂纹数量越少，围压越低产生的微裂纹数量越多，围压的升高会抑制微裂纹的扩展。以上分析表明，页岩结构面与主应力之间的夹角越小，层理越发育，越有利于裂纹的扩展，可压裂性越好，这有利于增加页岩的孔隙体积、提高渗透率以及页岩气的解吸能力。

4　页岩破裂的微观分析

岩石的最终宏观破裂是由其内部的微裂隙和孔隙扩展演化而成，因此，可以把微观破裂特征同其宏观破裂的力学机制联系起来，从微观角度探讨岩石的破裂规律[21-22]。当岩石破裂模式不同时，其微观破裂特征也不同，裂纹和断口会表现为不同的微观形貌特征。4.1 张性破裂

当β为0°或较小时，一般发生拉张性破裂，这是压应力派生的张力作用的结果。由图11可以看出，裂纹主要发育在泥质含量较高的软弱面中，这是由于黏土矿物中天然微裂隙发育、抗拉强度较低的缘故。在微裂隙起始扩展阶段，应力诱发的裂纹扩展方向与最大主应力方向大致平行，这种应力诱发的微裂隙称为“翼隙”（见图11b、11f）。由于页岩特殊的组构特征，翼隙的空间分布具有较强的局限性，会在软弱面中形成微裂隙带（连通性差）。当荷载增加至接近峰值时，翼隙的空间分布会突然局部化，许多已扩展的微裂隙产生相互作用和合并，从而形成贯通的主裂缝。图11b、11c中红色圆圈标示出的裂纹，很明显是剪切破裂形成的，特别是在接近峰值或峰值以后，这种剪切型裂纹更容易形成，说明在形成拉张型裂纹的同时，还形成了与剪切机制相关的裂纹。页岩系统不稳定，微裂隙表面摩擦力小，容易扩展，因此其形成的裂纹最多，贯通裂纹主要是在厚度大、连续性好的软弱面中发育。4.2 剪切破裂

图11　三轴压缩实验后页岩的张性破裂图（样品为F5-1）

图12为页岩发生剪切破裂后的破裂面图像，宏观上，页岩剪切破裂面凹凸不平（见图12a），且有明显的擦痕；在扫描电镜下，擦痕台阶和微台阶也非常明显（见图12b、12c），表面上有较多的岩粉散布，岩石的滑移造成了颗粒的剪切破裂（见图12e），这些都表明岩石发生了剪切破裂。图12d为张性裂纹，说明发生剪切破裂时，还伴随着少量的张性破裂。样品F3-1 的β为45°，根据前人和本文的研究，应该发生沿层理面的滑移破裂，但其没有发生滑移破裂，原因可能在于：①样品的层理不发育，各向异性差，矿物分布不均匀；②围压较高，高围压下岩石的破裂不受结构的控制[23]。另外，页岩中颗粒的存在对裂纹扩展、集结会起到诱导、牵引以及限制作用[24]（见图12f）。4.3 滑移破裂

由于页岩特殊的组构特征，当层理面与最大主应力之间的夹角在某范围内时[7,12]，会发生沿层理面的滑移破裂。图13给出了样品F7-2破裂后扫描电镜下的微观结构图。在压应力作用下，微破裂首先在软弱面内较大范围内产生，具有一定的优势方向，呈不均匀分布；宏观破裂之前，形成软弱面裂隙带（局部破碎）。可见宏观滑移破裂和微裂隙扩展演化都受到软弱面控制。由图13b、13c可以看出，滑移在层理附近发育，一是因为层理之间胶结能力差，二是层理面附近孔隙比较发育。由图13e可以看出，黏土矿物中的自生矿物、碎屑颗粒之间存在大量的粒间孔，可降低抗剪抗拉强度。由图13f可以看出，破裂面凹凸不平，存在明显的擦痕，与剪切破裂面相比，表面更为平整。

图12　三轴压缩实验后页岩的剪切破裂图（样品为F3-1）

图13　三轴压缩实验后页岩的滑移破裂（样品为F7-2）

4.4 页岩的破裂模式

结合前人研究，依据页岩破裂的宏观和微观观察分析，提出了以下3种页岩破裂模式：剪切破裂、滑移破裂、张性破裂。

图14a为页岩的剪切破裂模式。当层理面与主应力夹角较大时，与层理面平行（或角度很小）的微裂隙多数发生闭合或很难扩展，但仍有大量与层理面夹角较大的微裂隙会发生剪切或拉张型扩展。在压应力的作用下，软弱面和富含碎屑颗粒纹层中微裂隙同时发生剪切或拉张型扩展演化，造成局部破碎，随着差应力的增加，共线剪切裂纹贯通，最终导致整体剪切破裂。另外，局部破碎的形成受富含碎屑颗粒纹层的控制，即只有剪切强度超过富含碎屑颗粒的纹层中微裂隙的剪切强度时，才能形成穿越纹层的裂纹。

图14b为页岩的滑移破裂模式。当层理面与主应力之间的夹角在一定范围时，页岩会沿着软弱面发生滑移破裂。页岩的滑移破裂受结构面的控制，宏观破裂面一般会在厚度大、连续性好的软弱面中形成。从微观上看，软弱面中与层理平行的微裂隙对页岩的滑移破裂起主导作用，由于软弱面中微裂隙表面的摩擦系数小，在压应力的作用下，以微裂隙的剪切破裂为主，且一般不会穿越软弱面，形成贯通层理的裂纹。

图14c为页岩的张性破裂模式。当β较小或为0º，高泥质含量软弱面位于结构面附近时，页岩抗拉强度低，在软弱面内和结构面附近的微裂隙以发生张性破裂为主。在压应力的作用下，页岩系统为非稳定系统，平行于层理面的微裂隙没有闭合，而是发生了拉张性扩展，扩展方向与层理方向平行，随着载荷的增加，裂纹集结成核形成贯通裂纹。软弱面中的微裂隙拉张性破裂是造成页岩破裂的主控因素，当然页岩破裂不仅发生微裂隙的拉张型破裂，同时还存在微裂隙的剪切型破裂，特别是主应力接近峰值或峰值以后。

图14　页岩的破裂模式

5　结论

由于其特殊的组构特征，页岩的裂纹扩展和发育、力学特征存在明显的各向异性，其宏观破裂模式包括张性破裂、剪切破裂、滑移破裂3种基本类型。取心方向不同时，其力学参数差异较大，平行与垂直层理面取心的试样，其抗压强度最高；弹性模量随β的增加而减小；由于软弱面具有较低的抗剪抗拉强度，裂纹多发生在软弱面内部和层理面附近；页岩发生张性破裂时，裂纹最发育。

微观上，页岩的宏观破裂是由其内部的孔隙和微裂隙扩展发育而成，微裂隙破裂类型主要包括剪切破裂和拉张型破裂。宏观剪切破裂和滑移破裂主要是由微裂隙的剪切破裂引起，而张性破裂是由微裂隙的拉张型破裂引起。

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（编辑 黄昌武）

Macro-fracture mode and micro-fracture mechanism of shale

Zhong Jianhua1,2, Liu Shengxin1, Ma Yinsheng3, 4, Yin Chengming3, 4, Liu Chenglin3, 4, Li Zongxing3, Liu Xuan1, Li Yong1
(1. China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Geochemistry Institute of Guangzhou, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of
Geological Sciences, Beijing 100081, China; 4. Key Laboratory of Shale Oil & Gas Evaluation, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Through the study of fabric characteristics, mechanical characteristics, crack and microstructure characteristics of shale, the micro-mechanism, controlling factors and fracture modes of shale macro-fracture are revealed. The macro-fracture of shale is affected by fabric characteristics, coring direction, confining pressure etc, and occurs when the pores and micro-cracks extend, merge and link up. Macroscopic failure modes include shear fracture, tensile fracture and slip rupture. Microscopically, the micro-crack failure mainly includes shear slip type(type II)and tensile type(type I). In essence, the shear rupture and slip fracture of shale are all caused by shear slip rupture of micro-cracks, but due to different shale structure, the failure takes on different modes. The tensile fracture is caused by the tensile extension of micro-cracks. In addition, during the macro-fracture, the shear and tensile fracture of micro-cracks co-exist, but make different contribution to the macro-fracture. Finally, shale fracture patterns, namely shear, tensile rupture and slip burst are set up, and the microscopic mechanism of macro-fracture is explained from the microscopic viewpoint.

Key words:shale; macro-fracture mode; micro-fracture mechanism; microcrack; shear fracture; tension fracture

收稿日期：2014-04-10 修回日期：2015-02-09

作者简介：第一钟建华（1957-），男，山东东营人，中国石油大学（华东）教授，主要从事沉积学、岩石力学研究。地址：山东省青岛市黄岛经济技术开发区66号，中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，邮政编码：266580。E-mail: 807227351@qq.com

DOI:10.11698/PED.2015.02.16

文章编号：1000-0747(2015)02-0242-09

文献标识码：A

中图分类号：TE122.2

基金项目：国家油气重大专项（2011ZX05009-002）；国家自然科学基金石油化工重点基金项目（U1262203）