頁(yè)巖形變及破壞特征研究進(jìn)展及展望

楊兆中， 余秋爽， 李小剛， 何 睿， 靳文博， 許國(guó)瑞

(1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠， 榆林 719000)

隨著世界油氣資源需求逐漸上升與常規(guī)油氣資源產(chǎn)量的下降，非常規(guī)油氣資源的開采就變得越發(fā)重要，急需致密油氣、頁(yè)巖油氣等非常規(guī)油氣資源發(fā)展為“常規(guī)”資源[1]。中國(guó)頁(yè)巖氣資源量十分豐富，據(jù)Energy Information Administration(EIA)評(píng)價(jià)中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量超過(guò)31.6×1012m3[2]，與美國(guó)淺層頁(yè)巖相比，中國(guó)頁(yè)巖氣埋藏深度更深，礦物組成發(fā)生改變，各向異性特征更為明顯，且中國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要開發(fā)方式為水平井分段壓裂和體積壓裂[3-4]，壓裂過(guò)程中更應(yīng)注意巖石性質(zhì)變化。開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以為選井選層，判斷壓裂過(guò)程中儲(chǔ)層的造縫能力與形成復(fù)雜縫網(wǎng)的能力、研究浸泡液體后儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性及為縫網(wǎng)體長(zhǎng)效壓裂理論提供指導(dǎo)等?？傮w來(lái)講，正確的頁(yè)巖特征在頁(yè)巖氣鉆井、勘探、完井和生產(chǎn)中至關(guān)重要[5]。

一般的力學(xué)特征主要為形變特征與破壞特征，為此，現(xiàn)從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論研究和數(shù)值模擬三個(gè)方面進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)頁(yè)巖形變與破裂特征研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述并提出展望，以期為今后的頁(yè)巖油氣開發(fā)提供研究方向。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)作為認(rèn)識(shí)巖石力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，前人已完成了大量室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)并研究頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律及影響因素，揭示了頁(yè)巖的形變及破壞特征。

頁(yè)巖形變特征有三種：彈性、塑性、蠕性，主要表現(xiàn)為彈-塑性，在某些研究中甚至表現(xiàn)出單一的彈性階段而不存在明顯的塑性階段。頁(yè)巖的形變特征可以通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映，Al-Bazali等[6]對(duì)兩種不同的頁(yè)巖進(jìn)行不同應(yīng)變速率對(duì)比研究，其結(jié)果顯示軟頁(yè)巖的塑性階段更長(zhǎng)，而高壓實(shí)頁(yè)巖的脆性更為明顯。賈長(zhǎng)貴等[7]對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行單軸、三軸實(shí)驗(yàn)，在三軸壓縮時(shí)觀測(cè)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)壓密段且應(yīng)力跌落值呈U型分布。時(shí)賢等[8]對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行單軸、三軸下應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行分析，分析得出在單軸壓縮時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性變形階段較長(zhǎng)，塑性變形階段幾乎不存在；在三軸壓縮時(shí)進(jìn)行多級(jí)加載，軸向變形明顯快于側(cè)向應(yīng)變。Yu等[9]對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，巖石主要表現(xiàn)為脆性破壞，屈服應(yīng)力和塑性段隨著圍壓的增加而增加。汪虎等[10]研究了焦石壩五峰—龍馬溪組儲(chǔ)層的平行層理方向的力學(xué)性質(zhì)差異，得出巖樣加載至應(yīng)力峰值后迅速跌落，表現(xiàn)出典型的脆性特征。劉時(shí)雨[11]對(duì)比研究了干燥樣品、飽和水樣品與超臨界CO2飽和樣品在單/三軸壓縮下的應(yīng)變曲線特征，得出在單軸壓縮時(shí)應(yīng)變曲線表現(xiàn)出極大不同，而在三軸壓縮時(shí)由于圍壓的存在使其應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)相似。溫韜[12]通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析了各階段能量耗散特性。蔣長(zhǎng)寶等[13]利用RLW-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等幅循環(huán)載荷下變形特征研究，綜合討論了等幅循環(huán)載荷下頁(yè)巖應(yīng)力-應(yīng)變、變形模量及泊松比等特征。

巖石的破裂特征是指巖石在外力作用下表現(xiàn)出的強(qiáng)度問(wèn)題，基本的破壞特征為破裂或屈服，前者為引張破裂和剪切破裂而后者表現(xiàn)為塑性流動(dòng)。陳天宇等[14]研究發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力條件是影響黑色頁(yè)巖破裂的主要因素，低圍壓下主要表現(xiàn)為劈裂破壞，高圍壓下表現(xiàn)為剪切破壞，這與Niandou等[15]對(duì)Tournemine頁(yè)巖進(jìn)行三軸循環(huán)載荷時(shí)得出的結(jié)論一致。魏元龍等[16]對(duì)含裂隙頁(yè)巖進(jìn)行單軸循環(huán)荷載的基礎(chǔ)上進(jìn)行三軸循環(huán)荷載，發(fā)現(xiàn)含裂隙頁(yè)巖的破壞形式主要為混合破壞且呈現(xiàn)出拉剪貫通模式。侯振坤等[17]開展了關(guān)于不同取芯夾角的單軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)夾角從0°逐漸增加到90°的過(guò)程中，其破壞類型主要有3種：豎向劈裂型張拉破壞、沿層理弱面的剪切滑移破壞、穿切層理面的剪切破壞。Zhong等[18]通過(guò)頁(yè)巖的力學(xué)特性、裂縫和微觀結(jié)構(gòu)特征的研究，從微觀角度解釋了宏觀斷裂的微觀機(jī)理，認(rèn)為微裂紋的剪切滑移是造成了頁(yè)巖的滑移破裂和剪切破裂的主要原因。張萍等[19]對(duì)不同層理頁(yè)巖的破壞形態(tài)進(jìn)行比對(duì)，得出其破壞形態(tài)如圖1所示。夏遵義等[20]、王晶[21]對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了埋深研究影響，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度變大且破裂模式由劈裂式為主轉(zhuǎn)化為剪切破壞為主，這主要是由于隨著圍壓增大頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)與微裂隙被壓實(shí)，巖樣所受力的影響被減弱。陳軍斌等[22]研究了裂縫條數(shù)、深度、角度對(duì)頁(yè)巖破裂模式的影響，對(duì)數(shù)值模擬研究具有極大的借鑒意義。

圖1 不同頁(yè)巖破壞形態(tài)[19]Fig.1 Different failure modes of shale[19]

除此之外，孟慶彬等[23]、劉剛等[24]研究了巖石尺寸效應(yīng)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變特征的影響，得出巖樣的峰值應(yīng)變隨巖樣尺寸的增加而減小且峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率呈對(duì)數(shù)關(guān)系。時(shí)賢等[25]、陳平等[26]利用納米壓痕實(shí)驗(yàn)研究載荷-位移曲線關(guān)系，研究得出其加載曲線主要有彈性變形、彈塑性變形階段、塑性變形3個(gè)階段組成，這與前人研究結(jié)論一致。梁利喜等[27]、白冰等[28]、劉洪等[29]、李卉等[30]、AL-Bazali[31]、Ryback等[32]分別研究了不同溶液體系下，導(dǎo)致頁(yè)巖弱化的機(jī)制可能是浸泡時(shí)不同效應(yīng)綜合反應(yīng)的結(jié)果。

綜上，頁(yè)巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究主要是從層理方向、取芯角度、循環(huán)載荷、液體浸泡、溫度等方面開展的，且隨著新技術(shù)的發(fā)展，如微米壓痕可以更好地對(duì)巖石進(jìn)行微觀層面的研究。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究已較為成熟，但還存在如下幾方面問(wèn)題：在巖芯的提取和制備過(guò)程中，隨著應(yīng)力、溫度以及巖體內(nèi)部流體和水分含量的變化，導(dǎo)致樣品受損微裂紋等，致使后續(xù)獲得參數(shù)存在誤差；儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性，單純選取一些巖心很難具有代表性意義且數(shù)據(jù)離散性較大；室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)考慮因素不全面，無(wú)法模擬真實(shí)的地層情況，盡管部分學(xué)者開展了真三軸研究，例如，侯振坤等[33]利用真三軸裝置對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行裂縫延伸規(guī)律研究但沒(méi)有考慮溫度的影響；蔣長(zhǎng)寶等[34]利用真三軸裝置研究中間主應(yīng)力對(duì)頁(yè)巖力學(xué)影響；馬嘯等[35]研制了高溫真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)并對(duì)高溫下花崗巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)果比常規(guī)三軸更具可靠性。但總體而言真三軸巖石力學(xué)資料相對(duì)缺乏，今后應(yīng)加強(qiáng)真三軸狀態(tài)下頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)研究。

2 理論研究

理論研究對(duì)整個(gè)巖石力學(xué)研究起承上啟下的作用，既是對(duì)巖石宏觀物理現(xiàn)象的理論描述，也是數(shù)值分析過(guò)程中表達(dá)巖石響應(yīng)的關(guān)鍵。本構(gòu)模型是反應(yīng)巖石的應(yīng)力或應(yīng)力速率與其應(yīng)變或應(yīng)變速率的關(guān)系，主要通過(guò)彈塑性理論、流變理論及損傷理論進(jìn)行推導(dǎo)或依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)原有模型進(jìn)行修正、改進(jìn)。破裂準(zhǔn)則是表征巖石破壞條件的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)，可以對(duì)巖石破裂變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于頁(yè)巖的破裂準(zhǔn)則的研究主要基于單一弱面準(zhǔn)則及橫觀各向同性建立的準(zhǔn)則。

2.1 本構(gòu)關(guān)系

本構(gòu)關(guān)系可以反映巖石材料的性質(zhì)，由于頁(yè)巖存在大量的微裂隙，所以利用損傷理論研究頁(yè)巖本構(gòu)模型是最有效的方法之一。

自1958年Kachanov[36]和Dougill等[37]提出了損傷力學(xué)并且將其應(yīng)用到了巖石方面，中外學(xué)者就對(duì)其進(jìn)行了大量研究。Zheng等[38]基于Mogi-Coulomb準(zhǔn)則的損傷閾值建立了考慮中間主應(yīng)力的影響的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，更好地確定破壞過(guò)程中滲透率突變對(duì)應(yīng)的臨界破壞強(qiáng)度。Li等[39]從細(xì)觀尺度上的代表性體積元(RVE)概念出發(fā)，基于統(tǒng)計(jì)和連續(xù)損傷理論及有限元方法，研究了一種模擬巖石跨尺度漸進(jìn)破壞過(guò)程的統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷方法。Yan等[40]針對(duì)經(jīng)水基、油基鉆井液作用后產(chǎn)生不同程度軟化的層理頁(yè)巖，建立了損傷本構(gòu)模型，并用來(lái)預(yù)測(cè)井壁的穩(wěn)定性。騰俊洋等[41]分別研究了頁(yè)巖含水率與層理對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度損傷機(jī)制，同時(shí)建立了綜合考慮以上兩因素的本構(gòu)模型。孫清佩等[42]在參考了Li等[37]的理念后建立了綜合考慮層理機(jī)構(gòu)與載荷的頁(yè)巖損傷本構(gòu)模型，得出該模型在低應(yīng)變率水平易出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變回彈，更適用于中高應(yīng)變率水平，其對(duì)比圖如圖2所示。李育[43]通過(guò)有限元軟件對(duì)頁(yè)巖的微觀缺陷進(jìn)行分析，分別建立單、三軸載荷下考慮宏細(xì)觀缺陷的頁(yè)巖損傷本構(gòu)模型，并對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。姚歡迎等[44]基于頁(yè)巖聲發(fā)射特征得出受載巖石損傷變化性質(zhì)，并基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)建立了更加合理的單軸損傷本構(gòu)模型。

圖2 不同應(yīng)變率下模型驗(yàn)證[42]Fig.2 Model validation at different strain rates[42]

2.2 強(qiáng)度理念

巖石在變形過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力及應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，便發(fā)生破裂，用于表征破壞條件的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)即為強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，常用的準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[45]及改進(jìn)的Mogi-Coulomb準(zhǔn)則[46]、Hoere-Brown準(zhǔn)則及改進(jìn)的準(zhǔn)則[47]、Griffith準(zhǔn)則等[48]。目前，針對(duì)頁(yè)巖使用最為廣泛的準(zhǔn)則是基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則推導(dǎo)出的單一弱面準(zhǔn)則和基于頁(yè)巖橫觀各向同性建立的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

Jaeger[49]首先采用單一弱面準(zhǔn)則對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析。梁利喜等[50]針對(duì)頁(yè)巖地層的弱面結(jié)構(gòu)、水化和滲流作用建立起井壁分析模型，得出在考慮弱面結(jié)構(gòu)后計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更為接近。夏宏泉等[51]基于單一弱面剪切準(zhǔn)則對(duì)泥頁(yè)巖進(jìn)行研究，建立起適用于計(jì)算井壁穩(wěn)定性的模型。然而單一弱面準(zhǔn)則忽略了頁(yè)巖裂縫發(fā)育易形成多弱面相交的特點(diǎn)，故研究學(xué)者建立起基于多弱面條件下的破裂準(zhǔn)則。丁乙等[52]基于M-C準(zhǔn)則建立起多弱面強(qiáng)度理論，并得出隨著弱面數(shù)與巖石強(qiáng)度呈正相關(guān)，超過(guò)5組弱面后，巖石強(qiáng)度完全受弱面結(jié)構(gòu)控制。

王蕉等[53]基于Christensen[54]提出的適用于均質(zhì)、各向同性材料提出的破壞準(zhǔn)則與彈性應(yīng)變能的函數(shù)相協(xié)調(diào)的思想，提出了一個(gè)適用于脆性橫觀各向同性材料的破壞準(zhǔn)則并于Tsai-Wu準(zhǔn)則進(jìn)行比對(duì)，得出其結(jié)果較為相似。丁巍等[55]對(duì)王蕉等[53]提出的破裂準(zhǔn)則模型做出驗(yàn)證，最后得出該準(zhǔn)則能較好預(yù)測(cè)壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律，其缺點(diǎn)在于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的修正，個(gè)別層理角度的預(yù)測(cè)值存在誤差。

綜上，前人主要根據(jù)損傷理論與層理結(jié)構(gòu)相結(jié)合建立本構(gòu)方程，但在個(gè)別層理方向及不同應(yīng)變率下擬合存在誤差，需要學(xué)者們進(jìn)一步開展研究，如研究不同層理礦物組成差別對(duì)模型的影響等。對(duì)于頁(yè)巖破裂準(zhǔn)則的研究主要是從單一弱面準(zhǔn)則和考慮橫觀各向同性兩個(gè)方面進(jìn)行研究，針對(duì)不同的儲(chǔ)層特征運(yùn)用不同的破裂準(zhǔn)則。頁(yè)巖破裂準(zhǔn)則理論研究已取得一些研究進(jìn)展，但前人多從頁(yè)巖構(gòu)造進(jìn)行研究，而忽略了水化作用、溫度作用下的破裂準(zhǔn)則的影響，今后應(yīng)加強(qiáng)研究鉆井液、完井液、壓裂液等外來(lái)液體侵入所帶來(lái)的水化和溫度問(wèn)題。

3 數(shù)值模擬研究

目前用于巖體的數(shù)值模擬方法有：有限元法(軟件如RFPA、EBE-PCG等)、離散元法(軟件如PFC、3DEC)、非連續(xù)變形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)法、快速拉格朗日分析(fast lagrangian analysis of continuum，F(xiàn)LAC)、無(wú)網(wǎng)格法、數(shù)值流形法(numerical manifold method，NMM)、數(shù)字圖像分析方法。由于頁(yè)巖內(nèi)部存在大量微孔隙、微裂縫，可以認(rèn)為頁(yè)巖是節(jié)理類巖體，常用的數(shù)模方法為有限元法與離散介質(zhì)法。

蔣中明等[56]結(jié)合ANSYS軟件和FLAC3D軟件對(duì)復(fù)雜裂隙分布巖體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了單軸壓縮研究，研究得出不同尺度下應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本相同，隨著荷載的增加，試樣由彈性變形轉(zhuǎn)為彈塑性變形。謝云躍等[57]采用有限元軟件ABAQUS對(duì)完整巖石和含不同傾角的軟弱夾層的巖石在單軸和雙軸壓縮下進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征。葉功勤等[58]研究發(fā)現(xiàn)，顆粒單元體配比對(duì)巖石的力學(xué)特征有明顯的影響，巖石中的大顆粒含量越多，峰值強(qiáng)度增加，且不同顆粒配比的巖石壓縮和拉伸曲線在彈性和塑性變形階段呈現(xiàn)出高度的一致性。

Bhaaddini等[59]運(yùn)用PFC方法研究了節(jié)理幾何參數(shù)對(duì)巖體破裂機(jī)制、單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量的影響。Chong等[60]采用PFC方法模擬了預(yù)置多條非滲透微裂隙的巴西圓盤的壓縮破壞過(guò)程，討論了裂隙方向、裂隙力學(xué)性質(zhì)以及巖石脆性對(duì)頁(yè)巖破壞模式的影響。卞康等[61]基于PFC方法模擬了不同吸水時(shí)間下頁(yè)巖巖樣的卸荷力學(xué)特性和破壞特征，并與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)做出對(duì)比，二者有較好的相關(guān)性。Liu等[62]通過(guò)RFPA數(shù)模得出頁(yè)巖的破壞特征與層理傾角表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，當(dāng)傾角小于45°時(shí)，雖然頁(yè)巖主要表現(xiàn)為剪切破壞，破壞面不沿層理面擴(kuò)展。當(dāng)傾角大于60°時(shí)，頁(yè)巖主要發(fā)生劈裂破壞，破壞面沿層理方向擴(kuò)展，不同層理傾角β下的破裂形態(tài)如圖3所示。

圖3 不同層理傾角β下頁(yè)巖破裂形態(tài)[62]Fig.3 Shale fracture morphology under different bedding dip angles β[62]

總體來(lái)講，頁(yè)巖形變和破裂模式方面的數(shù)值模擬研究發(fā)展較快，因?yàn)閿?shù)值模擬可以直觀地模擬裂紋擴(kuò)展及巖石破壞過(guò)程，非常適合從細(xì)觀力學(xué)角度研究巖體力學(xué)行為。但還是存在如下問(wèn)題：巖石的非均質(zhì)性，盡管通過(guò)分布函數(shù)或材料定義其非均質(zhì)性，與真實(shí)的巖石還存在些許誤差；數(shù)值模擬輸入為細(xì)觀參數(shù)，因此在參數(shù)輸入過(guò)程中存在著較大的人為性，易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)出現(xiàn)較大的偏差；數(shù)值模擬過(guò)程中如何考慮尺寸效應(yīng)與物理實(shí)驗(yàn)的參數(shù)對(duì)應(yīng)，也是目前存在的問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

巖石形變及破壞特征是學(xué)者認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層巖石性質(zhì)的首要步驟，為鉆井和水力壓裂設(shè)計(jì)提供了必要的數(shù)據(jù)，具有不可替代的重要性。根據(jù)調(diào)研內(nèi)容對(duì)頁(yè)巖形變及破裂形態(tài)研究方向提出如下展望。

(1)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為認(rèn)知巖石力學(xué)參數(shù)及巖石的宏觀性質(zhì)第一步，已有相當(dāng)多的研究成果，然而不同加載速率及加載波形對(duì)頁(yè)巖變形、破壞研究尚嫌不夠，真三軸模擬資料也較少，需要開展更多研究。

(2)傳統(tǒng)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)有成本高、巖石試樣不可重復(fù)等缺點(diǎn)，可以將3D打印技術(shù)與頁(yè)巖模型相結(jié)合，打印出給定參數(shù)的類巖石樣品，有利于巖石力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。

(3)基于損傷理論建立起的頁(yè)巖本構(gòu)模型，需進(jìn)一步考慮巖石破壞時(shí)參數(shù)的演化、不同的加載及卸荷速率、圍壓的影響等；針對(duì)頁(yè)巖在高溫作用下、含水率及裂縫發(fā)育產(chǎn)生的多結(jié)構(gòu)弱面等方向的相關(guān)研究較少，考慮多場(chǎng)耦合條件及多弱面結(jié)構(gòu)建立新的破裂準(zhǔn)則，是下一步研究方向。

(4)數(shù)模參數(shù)的校正需要依靠大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，然而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲取周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以利用人工智能進(jìn)行大數(shù)據(jù)整理、歸類，為后續(xù)科研工作者提供參考。

(5)目前數(shù)值模擬方法應(yīng)用略微單一，如何將不同的數(shù)值模擬方法結(jié)合如有限元與離散元相結(jié)合、有限元與塊體元相混合、三維快速拉格朗日分析法與有限元方法結(jié)合等，是下一步研究方向。