不同围压下页岩力学特性的实验研究

王兴义，刘殿琛，李曜轩

不同围压下页岩力学特性的实验研究

王兴义1，刘殿琛2，李曜轩1

（1. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2. 中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

采用TAW-2000岩石三轴压缩试验机对页岩的力学特性进行研究，分析了围压对页岩抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数的影响。结果显示：（1）页岩的抗压强度、杨氏模量与围压之间呈正增长趋势，泊松比与围压之间呈负增长趋势；（2）随着围压的不断上升，页岩的抗压强度和弹性模量增长幅度表现出先上升后下降；（3）伴随着围压平衡上升，页岩的宏观破坏现象是第一组无裂纹，10 MPa时出现较小的裂纹，上升至15 MPa和20 MPa时出现了明显的破裂现象，根据宏观的破裂现象推导出页岩的破坏模式主要表现为先拉伸再剪切的断裂式破坏。

页岩；宏观力学特性；抗压强度；泊松比；杨氏模量

我国页岩油气资源储量丰富，但由于页岩地层分布区域地质构造运动强烈，容易引起裂缝、节理、断层发育，页岩储层岩性明显不同于砂岩和碳酸盐岩储层，而且随着开采页岩油气深度的增加页岩的宏观力学性质会发生显著的改变，对其开采效率的影响十分巨大。迄今为止有大量的领域专家对页岩的宏观力学特性及其成因进行了深入的研究。尹帅等人对页岩进行了单轴压缩试验，研究了页岩在单轴压缩下的抗压强度，泥页岩单轴抗压破裂呈张性或张剪性，张性破裂易发生于刚度较高、固结程度较强的部位，而剪性破裂易发生于刚度较低、固结程度较弱的部位[1]；张永泽等在对页岩的抗压强度展开了论述，证明了不同的测试前提下页岩破裂成因的各向异性，推断出页岩宏观物理特性和破裂成因的各向异性之间的规律[2]；张全林等分析了四川龙马溪组不同地区页岩储层各项指标，分析显示，同一组块不同地区的页岩在宏观物理特性上差异较大[3]。时贤设计研究了页岩压裂网格缝，获得了抗压强度和弹性模量对页岩压裂的影响，为页岩储层压裂效果提供了重要的技术指导[4]；沈国军等采用巴西圆盘法来测定页岩在垂直层理和水平层理上的抗拉强度、弹性模量和泊松比等力学性质[5]；李育采用三轴压缩实验和ABAQUS有限元软件数值模拟相结合，分析了细宏观缺陷对页岩力学性质的影响，依据岩石力学理论基础建立了考虑细宏观缺陷的页岩损伤本构模型[6]；倪红坚等人通过室内二氧化碳浸泡实验系统，对不同压力和温度浸泡下页岩岩心力学性质变化进行实验研究和机制阐释[7]；刘圣鑫等人利用定量化研究了页岩脆性颗粒和有机黏土复合体以及不同纹层的弹性模量和硬度，分析了影响其微观力学性质的主控因素[8]；Xiaofeng Chen等的研究结果得出，临界和亚临界裂缝行为对流体化学环境的依赖性，这对页岩储层水力裂缝的发育以及废水和CO2储集层盖层完整性有很大的影响[9]；Fei Gong等深入研究了机械压实应力对页岩物理弹性性质的影响，结果表明：材料的物理和弹性特性(即孔隙率、密度、声速等)对泥岩的压实应力和黏土矿物类型影响差异很大[10]。通过以上资料得出了页岩的抗压强度、泊松比、弹性模量的大致范围，同时也为下一步研究提供了许多经验公式，使之能更好地与实际情况相匹配。本文的具体物理实验是以某页岩油气开采地区采集的页岩作为试验对象，采用围压梯度分别为0、10、15、20 MPa进行所需的物理性质的室内研究，探究出该地区页岩的力学参数和围压之间的不同关系，然后将其参数代入前人的经验公式中进行数值模拟，进而分析页岩的破坏模式。

1 不同围压下页岩力学参数的实验研究

本文所做三轴压缩实验是模拟岩石所在不同井深处地层的温度和应力条件下页岩的力学参数，准确分析研究区域内页岩的三轴抗压强度、弹性模量和泊松比等物理性质，归纳不同围压下页岩的变形和强度特征，并拟合页岩三轴压缩试验的完整应力应变曲线，结合试验后岩样的断裂分布得出页岩产生的破坏模式。

1.1 实验装备和实验试样

本实验采用的主要装置是TAW-2000岩石三轴压缩试验机。它是目前国内比较全面的岩石力学参数测试系统（如图1所示）。

图1 TAW-2000岩石三轴压缩试验机

根据国际岩石力学学会（ISRM）标准和我国工程岩体试验方法，将此次室内进行三轴力学试验岩样的式样规格、加工精度、含水量都做到标准情况，减少误差的出现（如图2所示）。

图2 实验前页岩试样

1.2 实验步骤

岩石常规三轴压缩试验对岩样施加围压在周向上保持一致(2=3)，即水平向岩心所受载荷是均匀的。然后增加轴向压力1直到岩样破坏。

地层温度和围压下的常规三轴压缩试验步骤如下：

（1）在室内进行标准岩样加工。

（2）密封岩心。

（3）密封岩样环向和轴向传感器的安装。

（4）开始给围压筒加热，通过围压筒内外温度的控制，使围压筒内岩心所处的温度为设定值。

（5）加围压，先用活塞控制使围压预加载到1 MPa，然后以50 N/s的速度加载到预定值。

2 实验结果与分析

2.1 页岩试样三轴试验参数

本实验模拟地层温度和围压条件，测试三轴力学参数。试验温度为55 ℃，围压为0~20 MPa。页岩的宏观力学性质随围压和温度的升高呈指数变化；而且页岩存在应力阈值，且温度越高，应力阈值越低，页岩被破坏时间越短；在前人资料得出55 ℃下页岩破坏模式主要为沿斜截面的剪切破坏，且围压在0~20 MPa时页岩破坏较为明显[11]。利用TAW-2000岩石三轴压缩试验机，测试岩石试件的三轴抗压强度、杨氏模量和泊松比。所得页岩的宏观物理性质如表1所示。

表1 围压不同下页岩力学参数测试数据

通过四组实验数据以及所得的应力应变曲线分析可知：页岩三轴抗压强度范围在145.907~211.13 MPa之间，平均值为188.84 MPa；泊松比的范围在0.12~0.145，平均值在0.135；弹性模量的范围在19.66~0.145 GPa，平均值在0.135 GPa。由上述力学参数测试数据分析发现，页岩承受的围压值越大，页岩的三轴抗压强度增加，岩石的弹性模量也随之增大，泊松比随着减小。这是因为在外应力作用下，岩石本身的孔隙和裂隙发育，结果岩石的不均匀变形增加，在外力作用下，岩石局部会产生新的微裂纹，微裂纹会导致岩石局部应力集中，从而影响了岩块整体强度。当给岩石施加围压后，岩石的压实抑制了微裂纹的扩展，围压越高，抑制裂缝扩展的能力越强，即所谓的岩石所受周向应力的增加，对应的极限抗压强度增大的特征；由于围压抑制裂缝的扩展，当应变保持不变时，围压越高的试件所承受的压力越大，从而造成试件的弹性模量也会增大。

2.2 页岩试样破坏模式分析

通过有限元虚拟仿真页岩在不同围压情况下的实际受力情况的微观表现[6]（如图7），观察图（a）可知，当围压为0 MPa时，页岩的破坏形式分布均匀，以拉伸破坏为主；当围压增至10 MPa时（如图b），对应页岩的破坏模式变为：开始从页岩岩样出现明显的拉伸破坏；围压上升到15 MPa时，页岩试件的中间区域开始显现明显的一段剪切破坏，同时也存在少量上下加载的拉伸破坏；当所加围压持续上升至20 MPa时，页岩的破坏模式几乎只存在剪切破坏。根据以上结论我们可以推断出页岩的破坏模式主要表现为先拉伸再剪切的断裂式破坏。

图4 不同围压作用下页岩抗压强度的变化规律

图5 不同围压作用下页岩泊松比的变化规律

图6 不同围压作用下页岩弹性模量的变化规律

3 结 论

（1）随着围压的增大，页岩的抗压强度增大；页岩弹性模量随围压的增大而增大，泊松比随围压的增大而减小。

（2）在页岩模拟三轴压缩试验条件下，随着围压的增加，页岩抗压强度和弹性模量呈上升趋势；而且页岩的抗压强度和弹性模量的上升幅度随着围压的不断增大表现出了先上升后下降的改变规律。所以说，改变页岩开采过程中的围压大小只能在部分范围内对页岩的峰值抗压强度和弹性模量起到比较明显的改变作用。

（3）通过对有限元模拟的页岩微观裂缝分布的分析，随着围压不断上升，页岩试样的破裂形式主要表现为先拉伸再剪切的断裂式破坏。

［1］尹帅，丁文龙，孙雅雄，等.泥页岩单轴抗压破裂特征及UCS影响因素[J].地学前缘，2016，23(2):75-95.

［2］张永泽.鄂西渝东页岩力学性能的各向异性研究[D].绵阳：西南科技大学，2016.

［3］张全林，邓虎成，熊亮，等.四川盆地龙马溪组页岩储层特征差异性探讨--以威远与涪陵地区为例.长江大学学报自然科学版（中旬），2016，13(6):1-7.

［4］时贤.页岩气水平井体积压裂缝网设计方法研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2014.

［5］沈国军，陈晨，高帅，等.汪清油页岩物理力学性质及裂缝起裂压力的研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2018，45（9）:1-4.

［6］李育.考虑宏细观缺陷的页岩损伤本构模型研究[D]. 西安：西安石油大学，2019.

［7］倪红坚，郭兴，丁璐，等.超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2019，43(2):77-84.

［8］刘圣鑫，王宗秀，张林炎，等.基于纳米压痕的页岩微观力学性质分析[J].实验力学，2018，33(6):957-968.

［9］Xiaofeng Chen,Peter Eichhubl,Jon E. Olson,et al.Salinity,pH,and temperature controls on fracture mechanical properties of three shales and their implications for fracture growth in chemically reactive fluid environments[J].,21 (2020) 100140.

［10］Fei Gong,Bangrang Di,Jianxin Wei,et al. Experimental investigation of mechanical compaction on the physical and elastic properties of synthetic shales[J].,2019,161:139- 152.

［11］张强勇，张龙云，向文，等.考虑温度效应的片麻状花岗岩三轴蠕变试验研究[J].岩土力学，2017，38(9):2507-2514.

［12］杨懋偲.基于DDA的数值试验方法研究及其应用[D].武汉：长江科学院，2018.

［13］陈忠辉，谭国焕，杨文柱.不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟[J].岩土工程学报，2001，23(5):576-580.

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

王兴义（1998-），男，就读于长江大学石油工程学院。

TE122.2+3

A

1004-0935（2020）01-0038-04