鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究

第35卷第4期2020年12月
西南科技大学学报
Journal of Southwest University of Science and Technologp
Vol.35No.4
Dec.2020
鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究
唐伟9,刘俊新9,廖杰森5张可0张永泽0
(9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)
摘要:针对鄂西渝东地区油气藏泥页岩储层水力压裂方案的优化问题，进行了0。

,22.5。

,45。

,67.5。

,90。

层理角度
的室内三轴试验,分析了层理效应和围压效应对泥页岩力学特性的影响。

研究表明：当围压水平较低时，峰值强度
与层理角度呈现近似“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;弹性模量与
层理面倾角的变化趋势呈现负相关关系，泊松比与层理面倾角大致呈现“V”型变化规律;泥页岩的断裂形态可大致
归纳为劈裂破坏、张拉破坏、复合剪切破坏;脆性指数和层理面角度的关系均呈现“N”型变化规律。

关键词：泥页岩层理效应断裂形态脆-延转化脆性指数
中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号：1671-8755(2020)04-0043-07
Research on Anisotropic Mechanical Propertiet oO Aranaceous Shale
in Western HubeC and Eastern Chongqing Based on Triaxial Test
TANG Wei9,,LIU Junxin9，,LIAO Jiese/3,ZHANG Ke2,ZHANHG Yongze2
(9School of Cwit Engineering and Architecture,Soothwest Unaersita of Science eng Technolofa,M iaayaag 621210,Sichuan,China；2.Shock and VinTathf of Engineering Materialt ang Structurct Keg Laboratory of Sichuan Provinch,SouthwesO Unwersitu of ang Technolof,JMianyang621210,Sichucn,ChiTrn;
CC TumeC Engineering Bureca South China Branch,Guangzhof512790,Guangdong,China) Abstract:Aiming al the opWmizahop prod—m of hypraulic fractuhng scheme of shale mseco—O western Hu­bei and eastern Chongqing,the—Uom—p—axial compressiox tests al bePding angles of0°,22.5°,45°, 65.5°and5°were carded out,and the in—ueaces of bePding and cox—ning pressure ox the mechanical prop­erties of shale were analyzed-6hy results show that—v pl/—nship between t—axial compressive stmnph and We iaclinahox angle of bePding place approximately presents a vanatiox—w of W-sha/eP cupv when the con—ning pressure—vet is—w,and the vaPatiox—w of W-sha/eP cupe has paUually evolved into the vaPa-Wox—w of V-sha/eP cupe due to the iacreased con—ning ppssum.The elastic modulus mughly decreases in
aa a/proxioate liaear trend as the bePding angle Ocmmes from0°to9)°.Furthepnop,the Poissou's ratio decreases to exPiPii a V-sha/eP cupe-The pp—p modes of arp—aceoxs shale are c—sety related to the beP­ding angles and con—ning—vets；which are summaPzed into the following three cateyoves:the failure of split­ting,Wnsi—ing and compound she/Og.The p—t—nship between a/rittWaess indev and the inclinatiox angle
of bePding plane approximately presents a vaPahox—w of N-sha/eP cupe-
KeywoOt:Argillaceous shale;BePding effect;Ruptum mopho—yy,Bht—v-auct—it—critical transforma-tiox；Britt—ness indev
收稿日期：2622-69-61
基金项目：十三五国家重点研发计划(2617YFC0/4606);四川科技支持与国际合作项目(2616GZ6159)
作者简介:第一作者，唐伟(1290—),男，硕士研究生；通信作者:刘俊新，男，博士，教授，研究方向为路基沉降和油气储层动态密闭性评价,E-mail:943699474@
44西南科技大学学报第35卷
泥页岩可以作为非常规油气资源的储层和封闭圈层,其岩石力学特征是“甜点区”高效压裂改造技术的关键因素［］。

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5］。

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。

Niandoo等5］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⑸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,JosO1］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⑷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5］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4。

刘胜利等5］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5］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，提咼试验环境围压(最咼可达40MPa)以满足鄂西渝东地区较深埋藏尺度下(1520~5000m)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O-式(3)和表1所示。

b a=0.027(H(1)
=0.0216//+6.7808(2) CT h=0.742//+2.7365(3)式中：o-e为垂直地应力,MP v；o-h为水平大主应力, MPv;o-u为水平小主应力，MPa；/为地层埋深,m。

表1鄂西渝东地区地应力随深度的变化Tabie1Variations of crastai stress with the depth in westera Hubei and eastern Chongqing
埋藏深度/m—/MPa—且/MPa—y/MPa
00 6.78124233 5401345517.53114333 1500446536.181294533 250067.7560.72147.283 35409448552.331654933 4500121495143.25154.133 5500142.4545.551142.333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［2］，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［0］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
47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52 mm、高H为170mm的标准圆柱体。

每组试验进行3次，试验结果取其平均值。

47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-2520型高温高压岩石三轴试验系统，轴向最大荷载可达
第2期唐伟，等:鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究42
4 540 kN ,围压可达40 MPa 。

荷载控制方式为线性 位移(其控制速率为0. 46 mm/min )。

针对所测试的样品,本次试验设计20,44,60,
80,40 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. 7 ScOemadv Ciapram of be/Cing angle
2三轴压缩实验结果及分析
4.1三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
(a) 0° 300-lOOMPax^,
/X\100MPa
i0
80 MPa 80 MPa 100 MPa
40 MPa
60 MPa 40 MPa
20 MPa
20 MPa
100 MPa 60 MPa ‘40 MPa
80 MPa 60 MPaJ 200
'40 MPa
20 MPa
20 MPa 10()
SO MPa 图2三轴压缩试验全应力-应变曲线
Fig. 4 Complete stress - strain carve unger toaxial compression test
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4. 1%左右，后者3.2%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口。

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。

0.4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［4］。

在层理倾角为
20.3°处，试样具有最小三轴抗压强度。

根据表2可
(b)
22.5°
44西南科技大学学报第35卷
表2页岩三轴压缩试验结果
Table2Test osu U s of araiVacvut shte under triaxit compicssion
编号直径
Tmm
长度
Tmm
围压
/MPa
抗压强度
（应力差）
/MPa
弹性模量
/GPa
泊松比
残余强度
/MPa
黏聚力，
C/MPa
摩擦角,
°/（。

）
0-25412203.218.10029119
0-35414240.819.80026189
0-448162260419.20.2518169.2519012 0-54818279.320020029220
0-648112690123.10029224
22.8-24812109.213.20.2532
22.5-34814139.210.2002466
220-45416123.316010022852602623.39 22.8-554181890113.30029128
22.8-64811126.320040.73120
4-248992104.212060.7354
45-34814128.113.2002292
4-44816135.118.100212236.8321.66 4-4818135.417.20021143
4-648112290617.20021186
690-24812109.41209002290
67.8-34914175.210.3002012
690-45416130.414040019180395323.94 690-4818178.818.80021170
690-649991230.119060018191
90-24812178.312000.7375
90-34814171.212080022114
90-44816205.813.20021216008618.39 90-54818220.110.80024181
90—64811251.51090021177
图3抗压峰值强度随层理角度的变化关系Fig.3Variation p—tionship of compressive peaP-sWength with—c bePding p—nc angle 知,当层理角度为99。

和0。

时，黏聚力有较大值（分别为65.25MPa和66.86MPa）,内摩擦角有较小值（分别为12-9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）[10],强度指标较高（120MPa处，峰值强度分别为209MPa和2505MPa）。

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
第4期唐伟，等:鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究27
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[13],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°+0.5°(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，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.4Variation diapram of Modulus
of elasticity with the be/ding plane Angle
20MPa
0.30-1
0.28-
0.26-
0.24-£20MPa 40MPa 60MPa 80MPa 100MPa
0.22-
0.20-
0.16
020*********
层理面角度/⑺
图5页岩泊松比随层理面角度变化图
Fig.2VaVatOo diaemm of
Poisson"s ratio with the be/dine 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：
"字⑷
s
心=严(5)
Qmin
式中:&和心为各向异性度参数；和S丄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；S mp和S mo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2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
围压/MPa
(a)三轴抗压强度各向异性度
腰S
瞅
叵
也
啣
翅
堂
淞
20406080100
围压/MPa
（0）泊松比各向异性度
20406080100
围压/MPa
(b)弹性模量各向异性度
图6泥页岩基本力学参数各向异性度
F—.4Anisotropy deyree of the
basic mechanical yarameters for argillace o n s shale
43西南科技大学学报第35卷
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。

2.2三轴压缩试验下页岩破坏模式分析
图5所示为泥页岩三轴试验破坏形态。

从图5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2。

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，裂缝以单面处，出现局部圆锥破坏形态(86MPa处)。

(3)当层理面角度为45°和65.5°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65.5。

，围压44MPa和122MPa)。

其中，在层理角度为65.5。

,测试围压44,66MPa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99°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
一方向性且与层理弱面成高角度的形式贯穿岩样基
20MPa40MPa60MPa80MPa100MPa
(a)0°
20MPa40MPa60MPa80MPa100MPa20MPa40MPa60MPa80MPa100MPa
20MPa40MPa (b)22.5°
60MPa80MPa100MPa20MPa40MPa
(c)45°
60MPa80MPa100MPa (d)67.5°(e)90°
图7三轴压缩试验破坏模式
Fig.2Rupture morpho—gp under triaxial compression—
st
第2期唐伟，等:鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究42
2结论
(4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07.2°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。

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