鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究

唐 伟 刘俊新 廖杰森 张 可 张永泽

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010； 2. 西南科技大学工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室 四川绵阳 621010；3. 中交隧道工程局有限公司华南分公司 广东广州 510700)

泥页岩可以作为非常规油气资源的储层和封闭圈层[1]，其岩石力学特征是“甜点区”高效压裂改造技术的关键因素[2]。泥页岩具有各向异性，其弹性特性随方向变化，这种各向异性是由高差异应力、矿物(黏土和云母)沿层理面排列以及宏观大小的裂缝和断层引起的[3]。地质力学分析依赖于岩石的弹性性质和强度特性，地质力学性能对页岩油气藏生产所需水力压裂的设计和优化具有重要意义。在岩石弹性力学行为研究中，各向异性经常被忽略，有必要进行一些实验尝试完善该领域的研究。

Niandou等[4]认为页岩失效行为很大程度上取决于受载方向和类型，其在失效时展现了较大的各向异性变形。在油气开采中，盆地储层的强度特性可以用来评估页岩气开采潜力。Cho等[5]着重于片麻岩、片岩等层状沉积岩强度特性的研究，在此基础上建立目标区位横向各向同性模型，并且验证了沉积岩失效变形的各向异性。针对页岩饱和与酸化的研究方面，基本的物理框架可以从微观的角度来表征页岩的各向异性，Josh[1]分析了页岩介电常数、等效传导率、波速和渗透率的层理结构效应，为流体力学理论的拓展奠定基础。在隧道开挖中，岩石单元体能量积累与耗散是岩爆机理研究的重要内容之一。高春玉等[6]以砂板岩为研究对象，探究隧道开挖中围岩岩爆能量释放现象的层理结构效应，但并未探讨岩爆破裂模式和其对应的强度机制。刘运思等[7]在各向异性条件下总结了3种片岩的巴西劈裂圆盘破裂模式(张拉破坏、剪切拉伸断裂和剪切滑移)。刘胜利等[8]通过室内三轴试验研究了绿泥石片岩破裂机制的层理效应。徐敬宾等[9]对地表露头展开一系列室内试验，研究表明硬脆岩的破裂模式主要受到Hoek-Brown强度准则控制。近年来，随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭，深部矿产资源开采已然趋于常态，但人们对超深部的岩石力学性质和行为还缺乏了解，获得一些岩石材料本身的基本力学参数，有助于该问题的有效解决。同时，将岩石压力效应与层理结构效应的耦合作用纳入室内试验过程中，更能精确地反应地质力学信息。基于此，对评价深埋页岩气藏地质力学方面所采用的室内实验技术提出了挑战。在本文的研究工作中，为了更真实地模拟地层环境，根据该地域的最大水平地应力随埋深的分布规律来优化试验设计方案，提高试验环境围压(最高可达100 MPa)以满足鄂西渝东地区较深埋藏尺度下(1 500～5 000 m)非常规油储层力学特性层理效应研究的需求。该地区地应力经验回归结果和变化范围分别如式(1)-式(3)和表1所示。

σv=0.0271H

(1)

σH=0.0216H+6.7808

(2)

σh=0.0182H+2.2328

(3)

式中：σv为垂直地应力,MPa；σH为水平大主应力，MPa；σh为水平小主应力，MPa；H为地层埋深，m。

表1 鄂西渝东地区地应力随深度的变化Table 1 Variations of crustal stress with the depth in western Hubei and eastern Chongqing

此外，就深部泥页岩储层而言，裂缝形态非常复杂。研究表明，脆性也是表征深部页岩力学特性的关键指标之一[10]，将泥页岩脆度指标纳入到力学特性的研究范畴，是非常必要的。王跃鹏等[11]从层理密度、层理角度、单轴抗压强度与脆性指数的相关性研究了层理面角度对页岩脆性的影响，并建立了脆性指数的预测模型。吴涛[12]认为脆性指数也与层理间距和层理强度相关联。本文研究的泥页岩来自于鄂西渝东下志留纪龙马溪组，详细分析了层理效应和围压效应对其力学特性的影响。

1 试验方法

1.1 试样制备

试样均取自重庆石柱县。根据《水力水电工程岩石试验规范》规定，测试样品为岩芯直径D为50 mm、高H为100 mm的标准圆柱体。每组试验进行3次，试验结果取其平均值。

1.2 试验方案及设备

本次室内试验设备为西南科技大学工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室的YSY-2500型高温高压岩石三轴试验系统，轴向最大荷载可达2 500 kN，围压可达120 MPa。荷载控制方式为线性位移(其控制速率为 0.06 mm/min)。

针对所测试的样品，本次试验设计20，40，60，80，100 MPa 5种围压和0°，22.5°，45°，67.5°和90°共5种层理角度，如图1所示，一共进行25组试验。

图1 试样层理角度示意图Fig.1 Schematic diagram of bedding angle

2 三轴压缩实验结果及分析

2.1 三轴压缩试验下页岩全应力-应变曲线

图2展示了具有不同层理面倾角的泥页岩试样在20，40，60，80，100 MPa围压作用下全应力-应变曲线。泥页岩全应力-应变曲线特征大致可以用峰值前的应变硬化阶段和峰值后的应变软化、残余稳定阶段来分别描述。应变硬化阶段包括以岩石孔隙、原生节理和缺陷压密为主的弹性过程和以岩石内部微裂纹萌生、扩展为主的塑形屈服过程。随着围压水平提高，在应变硬化阶段的第一过程与第二过程承载样品所经历轴向压缩变形量相对比例减小，峰值前曲线各处切线模量值的变化程度变大。此外，围压越大，峰值前塑形屈服台阶越平缓，应变软化阶段中的应力降程度和速率相对降低。无论是哪种层理角度下的全应力-应变曲线簇，上述规律不改变。比较层理角度为90° 和0° 的全应力-应变曲线不难看出，前者轴向应变压缩量更大(100 MPa处，前者的峰值应变2.1%左右，后者3.4%左右)，应变软化阶段也更显著，可能是由于层理弱面之间的胶结物颗粒粗大和堆积孔隙率大造成的[13]。综上所述，泥页岩试样应力-应变曲线特征具有围压效应和层理效应。表2为泥页岩三轴压缩试验数据。

图2 三轴压缩试验全应力-应变曲线Fig.2 Complete stress-strain curve under triaxial compression test

表2 页岩三轴压缩试验结果Table 2 Test results of argillaceous shale under triaxial compression

2.2 各向异性对三轴抗压强度的影响

如图3所示，当围压水平较低时，三轴抗压峰值强度与层理角度的关系呈现近似“W”型的变化趋势，且提高围压时，“W”型的变化趋势转变为“V”型的变化趋势，且拐点之后，强度指标变化更为平缓。层理倾角一定，升高围压，峰值强度相应增加。这是层理弱面的压实作用所致[13]。在层理倾角为22.5° 处，试样具有最小三轴抗压强度。根据表2可知，当层理角度为90° 和0° 时，黏聚力有较大值(分别为67.65 MPa和60.86 MPa)，内摩擦角有较小值(分别为19.1° 和15.9° )，岩石屈服轨迹相对平缓，主要体现了泥页岩的本征破坏(矿物颗粒胶结键的破坏数量更多)[14]，强度指标较高(100 MPa处，峰值强度分别为269 MPa和251.5 MPa)。

图3 抗压峰值强度随层理角度的变化关系Fig.3 Variation relationship of compressive peak-strength with the bedding plane angle

2.3 各向异性对弹性模量和泊松比的影响

在试验规定的围压条件下，本文绘制了弹性模量和泊松比与层理角度的变化趋势图，如图4、图5所示。由图4可知，在各个应力状态下，随着层理面角度增加，泥页岩弹性模量大致线性降低。层理倾角为0° 时，受载试样存在明显“压杆效应”，各个被层理弱面分割的柱体就是压杆，随着荷载增加，它们之间互相挤压而产生约束效果，增加了岩石刚度。层理倾角为90° 时，层理面间矿物颗粒具有松散的胶结组构，相对泥页岩基质体而言，更容易被垂直压实。此外，增大的围压使试样沿着小主应力方向的机械压密效果变得明显，大大增加了缝隙间的接触面积[15]，因此弹性模量随着围压增大而减小。由图5可知，泊松比与层理面角度的关系大致呈现“V”型变化趋势，其减小趋势也可由试样“压杆效应”解释。此外，泥页岩的破裂角45°+0.5φ(60.97°)与层理面倾角67.5° 相似，层间岩块易发生顺层理面的剪切滑移[16]，故泊松比最小。此外，升高的围压也一定程度上抑制了试样的侧向膨胀，因此，泊松比随着围压增大而减小。

图4 页岩弹性模量随层理面角度变化图Fig.4 Variation diagram of Modulus of elasticity with the bedding plane Angle

图5 页岩泊松比随层理面角度变化图Fig.5 Variation diagram of Poisson'’s ratio with the bedding plane angle

因此，受层理面影响，泥页岩的压缩强度、弹性模量和泊松比呈现出显著的各向异性特征。定义力学参数各向异性度为：

(4)

(5)

式中：K1和K2为各向异性度参数；S∥和S⊥分别为某一侧向限制压力条件下平行于层理面和垂直于层理面的力学参数值；Smax和Smin分别为某一侧向限制压力条件下最大和最小的力学参数值。

由图6可知，总体上，弹性模量和泊松比的各向异性度随围压的增加呈现减小的变化趋势，而三轴抗压强度各向异性度随围压的增加呈现增大的变化规律，也就是说，岩石两主要结构方向的各向异性度在减小。前一变化趋势是由于压力对层理弱面的压密作用较显著引起的，而后者的变化趋势是由于升高的围压会抑制层理弱面开裂，从而引起岩石破裂机制的改变。因此，对处于高应力状态下的泥页岩储层，如果忽略其基本力学参数的各向异性，将对工程实际问题的分析和设计带来较大误差。此外，三轴抗压强度各向异性度较小，有利于油气开采井管壁的稳定性。

图6 泥页岩基本力学参数各向异性度Fig.6 Anisotropy degree of the basic mechanical parameters for argillaceous shale

2.4 三轴压缩试验下页岩破坏模式分析

图7所示为泥页岩三轴试验破坏形态。从图7可以看出，泥页岩的断裂形态具有各向异性特征和围压效应。

(1)当层理面倾角为0° 时，岩石呈现顺层理弱面和局部穿越层理弱面的破坏形态，与“压杆失稳”现象关系密切，属于典型的劈裂破坏，即裂纹扩展方向与轴向应力方向大致平行。此外，围压越大，破裂面角度变大，因为围压增加了压杆之间的横向约束效应，使其捆绑在一起，裂缝更易以小倾角穿越层理面，诱发基质体开裂。

(2)当层理面角度为 22.5° 时，各个围压下岩样的断裂形态呈现单一的张剪破坏模型，裂缝以单一方向性且与层理弱面成高角度的形式贯穿岩样基质体。由于“端面摩擦效应”存在，在接近试样下端面处，出现局部圆锥破坏形态(80 MPa处)。

(3)当层理面角度为 45° 和67.5° 时，在三轴压缩下，破坏形态转变为复合张剪模式。裂缝发展过程可以描述如下：在端面处，先小角度穿越基质体，扩展到临近层理面处时，接着发生顺层理面剪切滑动。围压削弱了层理弱面的力学特征，试样各向异性减小，层理面间的压实作用增强，导致试样该处断裂韧性降低，裂纹更容易穿越层理面，诱发基质体开裂，因此破裂面是多段折线型的(层理面角度为67.5°，围压40 MPa和100 MPa)。其中，在层理角度为67.5°，测试围压40，60 MPa时，出现共轭剪切缝，这是在压力和层理弱面的共同引导下进行的，导致岩样被分割成几块。

(4)当层理面角度为 90° 时，低围压，宏观裂缝沿着近似轴向方向穿过层理弱面和基质体，属于典型的张拉破坏。围压越大，破裂面的倾角变大，同时裂缝面贯通岩石上下端面，破坏形态转变成了剪切破坏模式。

图7 三轴压缩试验破坏模式Fig.7 Rupture morphology under triaxial compression test

4 结论

(1)当围压水平较低时，三轴抗压峰值强度与层理角度的关系呈现近似“ W”型的变化趋势，且提高围压时，“W”型的变化趋势转变为“V”型的变化趋势。层理倾角一定，升高围压，峰值强度相应增加。

(2)在各个应力状态下，随着层理面角度增加，泥页岩弹性模量大致线性降低；泊松比与层理面倾角大致呈现“V”型变化规律，当层理面倾角为67.5°时，泊松比最小。

(3)弹性模量和泊松比的各向异性度随围压的增加呈现减小的变化趋势，而三轴抗压强度各向异性度随围压的增加呈现增大的变化规律。