工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1414-1423   (5633 KB)    
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  • 收稿日期:2016-09-02
  • 收到修改稿日期:2017-06-21
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    王洪建
    刘大安
    黄志全
    袁广祥
    吕晓春
    牛晶蕊
    赵子江
    石晓闪
    层状页岩岩石力学特性及其脆性评价
    王洪建, 刘大安, 黄志全①③, 袁广祥, 吕晓春, 牛晶蕊, 赵子江, 石晓闪    
    ① 华北水利水电大学资源与环境学院 郑州 450045;
    ② 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029;
    ③ 新疆工程学院 乌鲁木齐 830023
    摘要:页岩气储层的岩石力学特性对压裂改造效果影响极大,开展页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气开采中大规模体积压裂提供技术支持。本文对龙马溪组黑色炭质页岩进行单轴压缩试验,得到以下结论:(1)黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物主要成分为石英和方解石,结构面固有强度较高;(2)由于强结构面的影响,倾斜层理试件具有较高的弹性模量与单轴抗压强度,但是总体积应变量较小;平行或者垂直层理试件的弹性模量与单轴抗压强度较小,总体积应变量反而大;(3)随着层理倾角β的增大,层状页岩单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为"中间小两头大"的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值较小,而0°或90°时较大;(4)岩石脆性是可压裂性的关键因素,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强,脆性指标的变化规律大致呈倒U型。本文的研究对评价页岩的可压裂性、提高压裂改造效果具有重要的现实意义和应用价值。
    关键词页岩    单轴压缩    体积应变    起裂应力水平    脆性指标    
    MECHANICAL PROPERTIES AND BRITTLENESS EVALUATION OF LAYERED SHALE ROCK
    WANG Hongjian, LIU Da'an, HUANG Zhiquan①③, YUAN Guangxiang, LÜ Xiaochun, NIU Jingrui, ZHAO Zijiang, SHI Xiaoshan    
    ① School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045;
    ② Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ③ Xinjiang Institude of Engineering, Urumqi 830023
    Abstract: The mechanical properties of shale gas reservoir have great influences on fracturing effect. It is of great necessity to investigate damage mechanism, mechanical properties and brittleness evaluation of shale rock and then to provide technical support for large-scale volume fracturing of shale gas exploitation. This paper conducts uniaxial compression tests on black carbonaceous shale of Lungmachi Formation. The test results indicate the follows. The black shale rock has obvious layered flake mineral structure. Its main mineral components are quartz and calcite, which causes the structure surface having high strength. Due to the effects of strong structure surface, shale rock with inclined bedding plane has larger values of elastic modulus and uniaxial tensile strength and the minimum total volumetric strains. However, when the bedding plan is parallel or vertical to the loading direction, the shale rock has smaller values of elastic modulus and uniaxial tensile strength and the maximum total volumetric strain. When the bedding angle β is increasing, the trend of crack initiation index behaves like a U-shaped curve, which is to say, the initiation crack indexes have smaller values at the β of 30° or 60° whereas bigger values at the β of 0° or 90°.It can be seen that brittleness is the key factor to rock fracturing. At the β of 30° or 60°, the rock has larger brittleness index with high fracturing variations of brittleness behave as an inverted U-shaped curve. The study of evaluating shale rock fracturing capability and improving the fracturing effect has important practical significance and application value.
    Key words: Shale rock    Uniaxial compression test    Volumetric strain    Crack initiation stress    Brittleness index    

    0 引言

    实现我国非常规油气资源开发的核心技术是超低渗储层的大规模体积压裂(Mayerhofer et al., 2010; Ahn et al., 2014),而体积压裂效果受页岩岩石力学特性的影响。页岩组分中除了有益于压裂的石英及钙质等脆性矿物,还含有不利于压裂的黏土、碎屑石和碳酸盐岩,整体上来看页岩非均质性和各向异性较强,有其自身的特点(刘琛等,2014Wang et al., 2017)。为了弄清楚页岩岩石力学特性变化规律及其对可压裂性的影响,需要开展页岩气开采甜点区的页岩体结构面特征、变形和强度等力学参数、脆性破坏过程及机制等关键科学问题研究。国内外对层状岩体力学特性做了大量的研究,例如有学者分析不同层理面对岩石力学性质产生的影响(彭光忠,1983冒海军等,2005黄书岭等,2010)。汪虎等(2016)对四川盆地焦石坝区块深部页岩的力学特性开展试验研究,虽然已经对节理对页岩力学特性的影响做过一些研究,但是还存在一些不足(Altindag,2003; Altindag et al., 2010):比如页岩中的结构面产状各异,会造成不同的脆性破坏特征;结构面中矿物成分不同,例如石英、钙质及黏土矿物含量的差异等,这都对页岩可压裂性产生不同的影响。

    页岩脆性是评价可压裂性的关键指标。目前,页岩脆性主要依靠岩石力学实验、地球物理方法、脆性矿物含量及压裂试验等方法进行评价(刘致水等,2015王濡岳等,2015)。例如早在1974年Hucka和Das通过室内岩石力学试验的方法,借助应力-应变曲线、拉压比、莫尔圆等分析法,研究了岩石脆性与单轴抗拉、抗压强度的关系,并给出了4种脆性指标的表达式;Altindag(2003)通过实例研究了岩石的脆性指标与断裂韧度的关系,认为两者满足幂函数关系y=axb刁海燕(2013)通过数值模拟和实验测量,综合弹性参数和矿物组分两种方法提出了一种新的脆性评价方法——弹性参数与矿物成分组合法(EP & MC Method),并实现了单井脆性评价,效果较好;李庆辉等(2012)开展室内真三轴岩石力学实验,讨论基于全应力-应变特征的页岩脆性测试原理和试验方法,对我国南方黑色页岩的脆性特征进行评价。但是,前人对脆性指标的评价研究也存在不足,主要表现在很少有人研究岩石固有的层理结构特征及矿物成分构成等因素对可脆性指标的影响,也未有成熟的脆性指标评价计算方法。

    为了研究层状页岩的力学(变形、强度)和脆性特性,掌握其随层理面倾角的响应规律,本文利用重庆市石柱县境内的露头页岩试件实施大量单轴压缩试验和矿物成分分析,并借助裂纹体积应变拐点的方法确定起裂应力水平系数,总结出页岩的可压裂性变化规律并作出评价。通过本文的研究,旨在揭露页岩结构面产状和矿物成分等因素对页岩岩石学特性及脆性破裂的影响,进而对页岩的可压裂性进行评价。

    1 层状页岩单轴压缩试验
    1.1 现场取样及制样

    中国石化近期在重庆石柱县中益乡盐井村部署了一口盐志1井,井深为4550m,旨在探明重庆石柱地区志留系致密砂岩气与重庆石柱南部二、三叠系礁滩相储层的含气性,获得该地区地质、地球物理参数,评价志留系页岩气的资源潜力(翟羽佳,2014)。重庆石柱县当地页岩气成藏地质特征,与邻近的重庆涪陵焦石坝页岩气田类似,资源前景广阔。如图 1所示为露头页岩处于重庆市石柱县打风坳3号隧道卫星定位图;图 2是具有层状节理的露头页岩,从现场破碎的页岩细块能够初步判断该处页岩泥质性高、脆性高、硬度小。

    图 1 页岩岩样取样地点 Fig. 1 Sampling location of shale rock

    图 2 具有层状节理的露头页岩 Fig. 2 Outcrop shale with layered joint

    课题组在现场选取表层下风化相对较弱的大块新鲜页岩,钻取切割并运送到石材加工基地,确定层理的方位走向,依次钻取4组标准试件:第1组结构面方向与加载方向平行,第2组与轴向夹角β为30°,第3组β为60°,第4组结构面与加载方向垂直(图 3)。

    图 3 与页岩层理方向成不同夹角取芯 Fig. 3 Coring samples at different angles to bedding plane of shale

    每组取芯4个,然后依据《水利水电工程岩石试验规程》 DLJ204-8标准进行岩芯加工,经过切、磨等加工成Φ50mm×100mm的标准岩芯,直径允许偏差<0.2mm,两端面的不平整度允许偏差<0.05mm,端面与轴线的垂直偏差控制在± 0.25°以内,部分试验试件(图 4)。每组4个试件,测量不同倾角层理试样的平均密度分别为ρ0=2567.7kg· m-3ρ30=2578.2kg· m-3ρ60=2529.4kg· m-3ρ90=2565.4kg· m-3

    图 4 部分加工页岩试样 Fig. 4 Image of the cored samples of shale

    1.2 试验设备简介

    采用中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机,该试验机具有轴压、围压、孔隙水压和温度独立闭环伺服控制系统。主机采用门柱式结构,轴压2000kN,围压100MPa,孔隙水压60MPa,温度-50~200℃,试件直径25~100mm,最小采样时间间隔20ms。可进行单轴、三轴应力-应变全过程试验,恒速、变速、循环加卸载及多种波形控制试验,孔隙水和高低温特性试验等。试验过程中,采用位移传感器量测试件的轴向和环向变形,其中环向变形采用环向点式引伸仪测量。本次试验加载方式为轴向位移控制,首先加载速率为10mm ·min-1对试件进行预加载,当加载力达到设置的入口力1kN时重新设定位移加载速率为0.06mm ·min-1

    2 试验结果分析与探讨
    2.1 层状页岩结构特征

    岩体结构面对岩石力学性质及工程设计有很重要的影响。Howarth(1987)指出岩体结构和组成成分是影响岩石力学特性的重要因素,岩体结构特征包括组成岩石的粒子形状、粒子分布方位、颗粒边界和颗粒之间咬合度等。岩体的组成成分特征主要包括矿物类型、粒子组分和矿物之间的胶结物等。张晓平等(2011)通过开展片岩的单轴压缩试验,指出片状压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性;Baron et al.(1985)杨超等(2014)指出节理也有强弱之分,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。Bell(1999)研究发现,对于砂岩,黏土矿物含量增加致使单轴抗压强度(UCS)降低,而石英含量能够增强岩体单轴抗压强度。有研究表明(Barton et al., 1977; Kulatilake et al., 2001; 张波等,2012),在单轴压缩情况下,含充填物的裂隙岩体峰值强度高,增大了节理岩体抵抗开裂的能力。节理中的充填物大多是矿物胶结面,裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定。从胶结物来看,硅质、铁质胶结的岩石强度较高,钙质次之,而泥质胶结强度最低。

    借鉴前人研究成果,本文实验样品采用海相沉积龙马溪组黑色炭质页岩,为了进一步弄清结构面产状及矿物成分对页岩基本力学性质产生的影响,笔者设计实施了具有不同倾角结构面的页岩单轴压缩试验,再利用X射线衍射仪(D/max-rA)对破坏后胶结面上的白色矿物进行SRD矿物成分衍射试验分析(表 1)。结果发现胶结面的石英含量最高达到85%以上,钾长石、斜长石次之,黏土含量最低,均值为0.35%。页岩基质的矿物含量中,黏土含量最高达到50%以上,而石英含量只有20%左右。

    表 1 页岩层理面矿物成分分析 Table 1 Mineral components of shale rock cemented plane

    2.2 页岩岩石力学各向异性特征

    层状页岩单轴荷载作用下,4种层理倾向各选取一个典型试件作出抗压强度-轴应变、径应变关系曲线(图 5),其中实线表示轴应变随轴压的变化规律,虚线为径向应变随轴压的变化关系曲线。根据试验测得结果,当层理面与加载方向平行时,4个单轴压缩试验的峰值强度均值为109.9MPa;当层理面与加载方向夹角为30°时,这时测得峰值强度均值为166.2MPa;当夹角为60°时,其值为150.9MPa;当层理面与加载方向垂直时,其值为99.9MPa。该4组页岩试件的应力-应变曲线类型是Ⅱ类曲线(潘鹏志等,2006),页岩在达到峰值强度后应力陡降,岩体内储存应变能量的释放促使试件继续破裂,且峰后的破坏过程是不可控的,属于非稳定断裂传播型。脆性岩石所具有的Ⅱ类曲线特征,初步说明龙马溪组脆硬性页岩具有一定的可压裂性,另外峰前锋后试验曲线多有曲折,也在一定程度上反应了层状页岩试件的非均质性。

    图 5 不同倾向单轴抗压强度-轴应变、径应变关系曲线 Fig. 5 UCS versus axis and radial strains curves of shale specimen with different bedding planes

    实验测试结果能够得到不同层理产状下的弹性模量E=σ/ε、泊松比ν=ε2/ε1和体积应变εV=ε1+2ε2,其中,ε1为轴向应变、ε2为侧向应变(表 2)。充填在页岩中的石英晶体,其强度一般比泥页岩高,影响着页岩试件的单轴抗压强度和变形特征。由于圆柱试件中石英等矿物组成的胶结面的存在,单轴最大抗压强度并不发生在结构面与加载方向垂直的情况,而是结构面与加载方向夹角β为30°或者60°的情况,弹性模量与单轴抗拉强度都达到最大值;当β为0°或90°时,体积应变量最大,当β为30°或者60°时,体积应变量最小。

    表 2 层状页岩试件岩石力学参数测量值 Table 2 Measured values of mechanics parameters for cylindrical bedding shale specimens

    根据实验后试件破坏照片(图 6),发现以下破坏特征:层理面与加载方向平行时,试件以小角度的剪切破坏为主;层理面与加载方向夹角β=30°或60°时,试件发生明显的斜向大角度剪切破坏,破坏面贯穿试件结构面形成两组较宽的共轭剪切带;当β=90°,加载方向垂直层理面,试件发生劈裂张拉破坏,试件破碎程度高。

    图 6 不同层理结构下页岩破坏形态 Fig. 6 Fracture appearances of shale rock with different bedding planes

    2.3 页岩起裂应力水平指标计算

    F.E.Richart等早在1928年指出单轴压缩试验中除了轴向和径向应变,体积应变也是非常重要的测量指标。Cook(1970)在实验室内利用应变片测量岩石体积应变大小,证明了体积应变是岩石固有的体积特征而非偶然,Martin(1993, 1997)通过花岗岩单轴压缩体积应变变化特征曲线把试验过程分为5个阶段:裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和峰后阶段,并提出裂纹体积应变模型(图 7)。总体积应变εV由两部分组成:弹性体积应变εVe和裂纹体积应变εVc。弹性体积应变由应力-应变曲线弹性阶段获得的弹性常数(弹性模量E、泊松比v)计算,如下式:

    图 7 脆性花岗岩破坏阶段划分示意图(Martin,1997) Fig. 7 Fracture stage division of brittle granite(Martin, 1997)

    $ \varepsilon _V^e = \Delta V/{V_{elastic}} = \frac{{1 - 2v}}{E}\left({{\sigma _1} - {\sigma _3}} \right) $ (1)

    式中,σ1σ3分别为轴向应力和围压;ΔV为弹性阶段体积变化量;Velastic为弹性变形后试件体积。总的体积应变εV减去弹性体积应变εVe,便可得到裂纹体积应变εVc。裂纹体积应变指岩样内原始裂纹的闭合或加载过程中新裂纹的张开和扩展形成新的体积应变(Cook,1970; Bordia,1972),表达式为:

    $ \varepsilon _{_V}^{^c} = {\varepsilon _V} - \varepsilon _{_V}^{^e} = {\varepsilon _1} + 2{\varepsilon _2} - \frac{{1 - 2v}}{E}{\rm{ }}({\sigma _1} - {\sigma _3}) $ (2)

    图 7给出了脆性岩石单轴压缩过程特征应力值与应变的关系曲线,σcc为裂纹闭合应力值,σci为裂纹起裂应力,σcd为裂纹损伤扩展应力,σf为岩石峰值强度。Ⅰ阶段岩样内部裂纹闭合体积减小;弹性阶段Ⅱ,总体积应变增量等于弹性体积应变增量;进入裂纹稳定和非稳定扩展阶段,岩样总体积应变εV增量小于弹性体积应变εVe增量,此时裂纹体积应变εVc曲线从零值向负方向偏转。总体积应变和裂纹体积应变曲线用来确定岩样裂纹起裂应力σci,即σci是裂纹体积应变从直线到曲线的拐点所对应的轴向应力值。

    声发射监测法和体积应变测量法都可以测定起裂应力σci,但是试验过程中,声发射探测信号一直存在,而且声发射受外部环境噪音影响较大,所以本文采用体积应变测量法来判定页岩的起裂应力。根据上文提出的计算方法和实验测量数据,笔者作出不同层状典型页岩试件单轴压缩下裂纹体积应变及全应力-应变曲线(图 8)。

    图 8 层状页岩单轴压缩下裂纹体积应变及全应力-应变曲线 Fig. 8 Crack volume strain and complete stress-strain curves of bedding shale specimens in uniaxial compression tests

    Bieniawski(1967)通过实验研究发现,在拉应力作用下,比如巴西劈裂或者直接拉伸试验,岩样的起裂应力σci通常等于试件最终破坏的拉伸应力。Hoek et al.(1984)指出在单轴压缩状态下,岩样的裂纹起裂应力水平通常比峰值应力低很多,并且在压缩载荷条件下,微裂纹的增长趋于稳定,岩样要发生宏观破坏还需要外界提供更大的荷载促使微裂纹扩展并连接贯通。岩样裂纹损伤扩展应力σcd一般对应于岩样的长期强度,而裂纹起裂应力σci受岩样的矿物成分、含量、结构特征的影响(Nemat et al., 1982)。为了准确直观地表征压缩荷载作用下页岩的力学特征变化规律,可以定义参数R为起裂应力水平指标,如下式:

    $ R = {\sigma _{ci}}/{\sigma _f} $ (3)

    起裂应力水平指标R反映了同种类岩石的矿物组分和结构上的差异,该值越小表明岩体的非均质性越强,岩体中的矿物含量越多,或者岩体结构更加复杂。R取决于矿物成分、颗粒大小、含量和结构特征,其是表征岩石力学特性变化规律的重要因素。根据前人研究,非均质性岩石例如粗粒花岗岩的R低于0.3,细粒闪长岩大于或者等于0.6,中粒径闪长岩和砂岩R通常在0.4~0.5之间(Cai,2010)。

    分别计算4组实验方案下16个页岩试件的起裂应力水平指标σci/σf的值,并作出R与不同层理倾角的箱线图,如图 9所示层理倾角分别为0°、30°、60°和90°对应的起裂应力水平指标R的最小值、最大值和均值。由图 9箱线图可以看出,该组页岩试件R值范围大致为0.08≤R≤0.27:页岩试件中白色矿物结构面与加载方向平行时,即β=0°时,0.16≤R≤0.25;当结构面β=30°时,起裂应力水平指标0.1≤R≤0.15;当β=60°时,起裂应力水平指标0.11≤R≤0.18;当β=90°时,0.13≤R≤0.27。起裂应力水平指标箱线图大致呈“中间小两头大”U型趋势,即30°和60°时起裂应力水平指标最小,0°和90°时起裂应力水平指标最大。

    图 9 不同倾角层状页岩的起裂应力水平指标箱线图 Fig. 9 Box-plot of crack initiation indexes for layered shale rock with different bedding orientations.

    3 页岩脆性指标变化规律

    脆性指标的评价方法有20多种,主要包括硬度测试法(Honda et al., 1956)、应力-应变曲线法(Hucka et al., 1974Lawun et al., 1979)、压拉比法(Altindag,2003)、断裂韧度试验法(Bazant et al., 1990)等。脆性指标与起裂应力水平作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,有学者在室内岩石单轴压缩试验的基础上,通过回归拟合的方法探讨了两者之间的内在联系。线性和非线性拟合发现,基于压拉比的脆性指标和起裂应力水平具有很强的相关性,相关系数均大于85%,且分别满足幂函数和线性函数关系(王宇等,2014)。采用起裂应力水平指标的方法,通过岩石的室内单轴压缩试验,可以快速得到岩石的脆性指标。引入拉压比及起裂应力水平,脆性指标重新定义为:

    $ B = \frac{{{\sigma _c} - {\sigma _t}}}{{{\sigma _c} + {\sigma _t}}} = \frac{{8 - R}}{{8 + R}} $ (4)

    式中,B为脆性指标;σc为单轴抗压强度;σt为单轴抗拉强度;R表示起裂应力水平指标(Cai,2010),R=σci/σf=8σt/σc

    依据表 2中试验测试数据,并基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,得到起裂应力水平系数的数值,然后代入到式(4)中作出页岩起裂应力水平与脆性指标的散点图,最后拟合成线性关系式:y=0.9975-0.2325x。通过拟合线可以看出,脆性指标同起裂应力水平系数成反比例线性关系(图 10)。4组不同倾向层状页岩试件的脆性指标变化规律(图 10),通过箱线图的分析发现,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,倾角为0°或者90°时,脆性指标最小,其变化规律大致呈倒U型。造成脆性指标呈倒U型的原因主要有两个:(1)脆性指标直接受起裂应力水平指标的影响,由图 9可知R随层理角度变化表现为中间小两头大的规律,根据式(4)即可得到脆性指标B的变化规律;(2)页岩固有的岩石力学特性的影响,页岩试件中强度较高的胶结面改变了页岩的结构和力学性质,从而造成脆性指标的各向异性特征(图 11)。

    图 10 页岩起裂应力水平系数与脆性指标关系拟合线 Fig. 10 Relationship-fitting curve of crack initiation indexes and brittleness indexs of shale rock

    图 11 不同倾角层状页岩的脆性指标箱线图 Fig. 11 Box-plot of brittleness indexes for layered shale rock with different bedding orientations

    4 结论

    本文以下志留统海相沉积龙马溪组黑色炭质页岩为研究对象进行矿物成分分析和单轴压缩实验研究,分析不同层状页岩试件岩石力学特性及脆性指标的变化规律,主要得出以下结论:

    (1) 黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物成分主要为石英和方解石,结构面固有强度较高,其对页岩岩石力学特性有显著影响:层理面与加载方向夹角β为30°或者60°的情况,弹性模量与单轴抗拉强度较大;当β为0°或90°时,总体积应变量较大。

    (2) 受页岩各向异性特征的影响,单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为“中间小两头大”的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值最小,0°或90°时较大。

    (3) 起裂应力水平指标能够表征岩石的脆性大小和变化规律,岩石脆性是可压裂性的关键因素,实验与理论总结发现:层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强;倾角为0°或者90°时,脆性指标最小,其变化规律大致呈倒U型。

    参考文献
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