裂隙對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響的研究

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都 610000)

一、研究背景

隨著全球能源格局的涌現(xiàn)和世界新興經(jīng)濟(jì)體的不斷升華，全球各國(guó)在能源方面的需求急劇增加，對(duì)天然氣、石油和煤炭等不可再生能源的爭(zhēng)奪也愈演愈烈。頁(yè)巖氣作為常規(guī)資源的有效補(bǔ)充能源，已經(jīng)受到全球各國(guó)的關(guān)注。美國(guó)能源署(EIA)在2014年對(duì)全球范圍內(nèi)除美國(guó)以外的41個(gè)國(guó)家的95個(gè)頁(yè)巖盆地和137個(gè)頁(yè)巖氣層資源進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估的內(nèi)容囊括了所選國(guó)家最豐富的頁(yè)巖氣資源地區(qū)，數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏量為1012.63×1012m3(萬(wàn)億立方米)，其非洲地區(qū)為188.59×1012m3，居全球第一；亞洲地區(qū)為183.81×1012m3，居全球第二；南美洲地區(qū)為180.84×1012m3，居全球第三；歐洲地區(qū)為138.53×1012m3，居全球第四。

二、研究現(xiàn)狀

水力壓裂是一種有效的頁(yè)巖氣藏開采技術(shù)。與傳統(tǒng)儲(chǔ)層不同，頁(yè)巖是典型的沉積巖，含有大量天然裂縫。當(dāng)形成裂縫時(shí)，可能同時(shí)發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞。不同的破壞模式主要取決于層面和天然裂縫的力學(xué)特性，以及它們之間的關(guān)系。通常來說，這些不連續(xù)性使頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)更加復(fù)雜。對(duì)于壓裂工程應(yīng)用，需要更好地了解頁(yè)巖的力學(xué)特性和破壞過程。為了研究頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)。例如，楊志鵬[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了層加載角對(duì)巴西試驗(yàn)破壞模式的影響。衡帥[2]進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，研究了不同層取向的層面力學(xué)性能和剪切剪切強(qiáng)度。Arora[3]，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，分析了橫觀各向同性彈性參數(shù)的變化規(guī)律，得到了彈性參數(shù)與層理角度的關(guān)系。基于上述研究，頁(yè)巖具有明顯的各向異性特征。然而，這些研究主要集中在層面的效果上。頁(yè)巖含有許多天然裂縫。天然裂縫是壓裂過程中形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。有必要研究天然裂縫對(duì)頁(yè)巖性質(zhì)的影響。

由于在裂縫擴(kuò)展過程中裂縫的幾何形狀總是在變化，因此裂縫發(fā)展和破壞機(jī)制的理論描述非常困難。因此，已經(jīng)進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)來研究具有裂隙的巖石的力學(xué)行為。這些裂隙用于描述預(yù)先存在的裂縫或天然裂縫。通過巴西劈裂試驗(yàn)，壓縮試驗(yàn)和三點(diǎn)彎試驗(yàn)，研究了裂隙對(duì)巖石破壞的影響。Zhou[4]研究了巴西試驗(yàn)中單個(gè)裂縫或雙裂縫的起始和擴(kuò)展，并研究了圓盤尺寸和斷裂角度對(duì)材料破壞強(qiáng)度的影響。Haeri[5]測(cè)量了預(yù)裂紋巴西圓盤的破壞強(qiáng)度，并研究了不同傾角的裂縫對(duì)巖石類材料的破壞過程。Wong[6]對(duì)石膏和大理石進(jìn)行了一系列單軸壓縮試驗(yàn)。然而，這些測(cè)試巖石通常是各向同性的。由于頁(yè)巖是典型的各向異性巖石，上述研究無法描述頁(yè)巖的裂縫發(fā)育和各向異性破壞。由于了解壓裂工程中含裂隙巖頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)和破壞過程非常重要，因此進(jìn)行了一些相對(duì)實(shí)驗(yàn)。Mokhtari[7]進(jìn)行了巴西試驗(yàn)，研究層理或天然裂縫對(duì)巖石破壞的影響。兩種類型的不連續(xù)的影響是單獨(dú)研究，而不是同時(shí)研究。羅毅[8]進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以研究頁(yè)巖的壓裂行為。通過對(duì)具有兩個(gè)預(yù)制裂隙的頁(yè)巖樣品進(jìn)行一系列的壓縮，Morgan[9]還研究了裂紋萌生，傳播和聚結(jié)過程。然而，制備含有裂隙的頁(yè)巖樣品并不容易。少量頁(yè)巖樣品限制了研究人員系統(tǒng)地考慮更多影響因素，例如裂隙與層理面之間的角度，層理面的性質(zhì)，裂隙的大小。因此，裂縫性頁(yè)巖的性質(zhì)仍有待深入研究，特別是天然裂縫和層理面性質(zhì)對(duì)破壞機(jī)制的影響。

三、數(shù)值軟件的優(yōu)勢(shì)

作為另一種研究方法，數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)固有得裂隙。根據(jù)弱面的不同表示方法，現(xiàn)有的數(shù)值方法分為連續(xù)介質(zhì)方法(CMM)和離散元方法(DEMs)。與CMM相比，弱平面直觀地體現(xiàn)在DEM中，建模過程中不需要定義復(fù)雜的本構(gòu)模型，只需要定義微觀參數(shù)?？紤]到樣品的小尺寸，顆粒流DEM，例如，顆粒流軟件(PFC)被廣泛用于巖石的破壞過程和微觀機(jī)制的研究之中?；赑FC的優(yōu)勢(shì)，研究人員對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了一些模擬研究。例如，He[10]研究了巴西試驗(yàn)下頁(yè)巖層理面角度和層理對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂模式的影響。

綜上，基于實(shí)驗(yàn)方法對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的研究很多，但是主要只考慮了層理面的因素對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響，而考慮裂隙和層理耦合作用影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)很少。數(shù)值手段可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)對(duì)頁(yè)巖開展更多方面的研究。