變速率剪切滑移過程中頁巖裂縫穩(wěn)定性-滲透率演化規(guī)律

賈云中，陸朝暉，湯積仁，李大華，賀 培

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 自然資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120;2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

在頁巖氣資源開發(fā)過程中，水力壓裂技術(shù)是儲(chǔ)層改造的基本方法，在水力壓裂和廢水重注入的過程中，頁巖儲(chǔ)層中的壓裂裂縫、天然裂縫和斷層的滑移可能導(dǎo)致的不穩(wěn)定滑移現(xiàn)象已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注[1-5]。研究表明，大規(guī)模的流體注入活動(dòng)會(huì)使地層和蓋層中原有的天然裂縫和斷層被重新激活，產(chǎn)生地震性的非穩(wěn)定性滑移或抗震性的蠕變滑移。大量流體注入地層一方面會(huì)使作用在原始天然裂縫和斷層中的孔隙壓力增大，另一方面流體壓力形成的孔隙壓力場(chǎng)可能改變?cè)继烊涣芽p和斷層所處的地應(yīng)力場(chǎng)[2]。所以，大量流體注入地層后可能影響儲(chǔ)層巖石的整體性、穩(wěn)定性和滲透特性。因此，有必要對(duì)頁巖裂縫產(chǎn)生滑移后，裂縫的穩(wěn)定性和滲透特性進(jìn)行充分的研究，并探索兩者之間的作用機(jī)制。

裂縫滑移過程中的穩(wěn)定性可以使用速率狀態(tài)定律(Rate and State Friction(RSF))來描述，通過計(jì)算參數(shù)(a-b)值的正負(fù)，確定裂縫的滑移類型。當(dāng)裂縫受到外界擾動(dòng)，滑移速率突然增大時(shí)，滑移方式可能產(chǎn)生摩擦因數(shù)增大或者減小的兩種不同變化，如果外界應(yīng)力狀態(tài)不變，摩擦因數(shù)增大則裂縫面的滑移速率減小，發(fā)生穩(wěn)定的抗震性蠕變滑移，被稱為速率強(qiáng)化現(xiàn)象;摩擦因數(shù)減小則導(dǎo)致裂縫面面的滑移速率逐漸增大發(fā)生非穩(wěn)定性的地震滑移[6-7]，也被稱為速率弱化現(xiàn)象。因此，通過對(duì)頁巖裂縫在滑移過程中的(a-b)值進(jìn)行測(cè)量，可進(jìn)一步評(píng)估巖石裂縫的穩(wěn)定性。

學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)斷層在滑移過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，富含層狀硅酸鹽礦物的斷層常表現(xiàn)出較低的剪切強(qiáng)度，但是傾向于發(fā)生速率強(qiáng)化現(xiàn)象，傾向于發(fā)生穩(wěn)定性的蠕變滑移[8-10]。相反的，富含網(wǎng)狀硅酸鹽礦物的巖石裂縫或斷層，通常具有較大的剪切強(qiáng)度，但是當(dāng)滑移速率突然增大時(shí)，常發(fā)生速率弱化現(xiàn)象，傾向于產(chǎn)生非穩(wěn)定性的地震。實(shí)際工程中也常發(fā)現(xiàn)，非穩(wěn)定性的地震滑移常發(fā)生于富含石英和長石等網(wǎng)狀硅酸鹽的巖層中[11-12]。但是，現(xiàn)階段的研究多集中于斷層泥，對(duì)頁巖的研究較少。同時(shí)，壓裂等產(chǎn)生的裂縫通常不含斷層泥，礦物組分對(duì)頁巖裂縫滑移過程中的穩(wěn)定性控制機(jī)制尚不明確。

同時(shí)，在頁巖裂縫剪切滑移的過程中，裂縫的滲透率可能增加或減小[13]。裂縫滲透率增加的主要原因是裂縫表面的剪脹作用，而滲透率的降低則可能是由于裂縫表面的凹凸遭到破壞，巖石礦物顆粒重新排列，使得裂縫孔隙度降低，從而使得裂縫滲透率降低[14-15]。但是，對(duì)于頁巖裂縫在變速率剪切滑移狀態(tài)下的滲透率演化規(guī)律尚不明確，尤其是在發(fā)生不同類型的滑移時(shí)，穩(wěn)定性變化與滲透率響應(yīng)的作用關(guān)系研究較少。

因此，筆者通過進(jìn)行變滑移速率的頁巖裂縫剪切滑移實(shí)驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量頁巖裂縫滑移過程中的摩擦因數(shù)和滲透率變化，基于RSF定律評(píng)估了3種頁巖裂縫的剪切滑移穩(wěn)定性，分析研究了滲透性響應(yīng)及演化規(guī)律和剪切滑移頁巖裂縫的強(qiáng)度-滲透率反饋?zhàn)饔脵C(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)基本假設(shè)

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的條件下，考慮所有的因素來研究裂縫面滑移過程中的摩擦特性和滲流規(guī)律是非常復(fù)雜的。因此，實(shí)驗(yàn)做出以下假設(shè):

(1)天然裂縫形態(tài)是非常復(fù)雜的，為了簡化模型，本實(shí)驗(yàn)采用的裂縫面為平行的平板模型，流體在裂縫中的流動(dòng)符合基本的立方定律。SNOW指出，這樣的假設(shè)可以更好的描述裂縫面內(nèi)的流體流動(dòng)，并且該模型也符合RSF中對(duì)裂縫形態(tài)的假設(shè)[16-17]。

(2)在較短的時(shí)間內(nèi)，大量CO2的注入不會(huì)改變儲(chǔ)層和蓋層的巖石礦物化學(xué)組分。也就是說，本實(shí)驗(yàn)不考慮化學(xué)因素對(duì)頁巖礦物組分、摩擦強(qiáng)度和滲透特性的影響。因此，本研究使用去離子水代替CO2作為測(cè)量滲透率的流體介質(zhì)。

(3)本實(shí)驗(yàn)在室溫條件(25 ℃)下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中不考慮熱應(yīng)力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[18-19]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

經(jīng)前期基質(zhì)滲透率測(cè)量，選取川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖、美國Green River地層頁巖和Marcellus地層頁巖作為實(shí)驗(yàn)使用的巖石試件[20-22]。龍馬溪組頁巖取自于四川盆地下志留統(tǒng)。Green River頁巖取自于美國科羅拉多州Piceance盆地，是一種常見的油頁巖。Marcellus頁巖取自于美國東北部賓夕法尼亞州，現(xiàn)為美國主要的頁巖氣采區(qū)之一。3種頁巖的孔隙度和滲透率情況見表1。3種頁巖的滲透率均低于10-20m2。XRD結(jié)果顯示:3種頁巖主要由碳酸鹽，網(wǎng)狀硅酸鹽和層狀硅酸鹽組成。具體成分見表2。3種頁巖的具體取樣地點(diǎn)示意如圖1所示，需要說明的是，3種頁巖均取自于3種巖層的露頭巖石。

表1 3種頁巖的孔隙度與滲透率Table 1 Porosity and permeability of three shales

表2 3種頁巖的礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mineral composition of three shales

圖1 3種頁巖加工好的試件示意Fig.1 Prepared shale samples for the experiment

實(shí)驗(yàn)用的試件經(jīng)取心后，打磨成直徑為25.0 mm，高50.0 mm的圓柱體，沿軸線方向切割成兩半，形成剪切裂縫面，最后用粒徑20目金剛砂打磨成粗糙的表面。加工好的試件如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示的三軸加載儀器對(duì)試件進(jìn)行加載。3個(gè)不同的泵分別加載軸壓、圍壓和孔隙壓力并獨(dú)立記錄:3個(gè)不同的泵分別加載軸壓、圍壓和孔隙壓力并獨(dú)立記錄:A泵使用去離子水提供圍壓;B泵提供軸向壓力，即裂縫面剪切滑移過程的動(dòng)力，泵內(nèi)使用液壓油，由于液壓油相對(duì)于水具有更小的壓縮性，在高壓情況下仍能確保裂縫面產(chǎn)生較為穩(wěn)定的滑移速度;C泵使用去離子水，出口端連接大氣，用于測(cè)量裂縫面的滲透率;位移由位移傳感器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)記錄。為了更準(zhǔn)確的記錄軸向壓力的變化，使用負(fù)載傳感器記錄軸向壓力，而不使用B泵記錄的壓力，從而減小管線壓力損失對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始前，將裝好的試件外部使用透明特氟龍(Teflon)管包裹好，減少試件外部與實(shí)驗(yàn)裝置之間的摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，然后再使用橡膠包裹好后放入實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。實(shí)驗(yàn)使用3.0 MPa的圍壓，上下游的流體壓力差設(shè)定為100.0 kPa。

如圖3所示，裂縫的滑移速率突然增大時(shí)，可能產(chǎn)生摩擦因數(shù)增大或者減小的2種不同變化。

圖3 滑移速率變化時(shí)裂縫面摩擦因數(shù)變化形式Fig.3 Frictional coefficient evolution due to slip rate change

裂縫面的摩擦因數(shù)μ可以通過實(shí)驗(yàn)過程中的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力μ=τ/σn計(jì)算得到，其中，τ為剪切應(yīng)力，即為實(shí)驗(yàn)中的軸壓;σn為裂縫面受到的法向應(yīng)力，即為實(shí)驗(yàn)中的圍壓(3.0 MPa)。

速率控制的摩擦因數(shù)可以采用速率狀態(tài)定律(Rate and State Friction)進(jìn)行分析。在RSF定律中，摩擦因數(shù)[23]表述為

(1)

(2)

其中，μ0和V0為速率變化前的裂縫摩擦因數(shù)和滑移速率;μ1和V1為速率變化后的裂縫摩擦因數(shù)和滑移速率;θ為此時(shí)的狀態(tài)變量;a和b為摩擦穩(wěn)定性參數(shù)，a為直接影響，b為位移有關(guān)的進(jìn)化性影響;Dc為臨界滑移距離，指速率變化后，經(jīng)過多少距離摩擦因數(shù)變得穩(wěn)定。a,b值的具體物理意義如圖1所示。

摩擦滑移的穩(wěn)定性受到a-b值的影響。從式(1),(2)[23]可以得到

(3)

其中，a-b>0表示速率強(qiáng)化現(xiàn)象，說明滑移速率增大，裂縫面的摩擦因數(shù)增大，或滑移速率減小，裂縫面的摩擦因數(shù)減小，裂縫面將會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的抗震性滑移;a-b<0，則表示速率弱化現(xiàn)象，說明滑移速率增大，裂縫面的摩擦因數(shù)減小，或滑移速率減小，裂縫面的摩擦因數(shù)增大，裂縫面可能發(fā)生非穩(wěn)定性的地震性滑移。

滑移過程中的裂縫滲透率可以使用立方定律[24-25]進(jìn)行計(jì)算

(4)

(5)

其中，e為裂縫有效水力開度;β為流體黏度;L為裂縫接觸面的長度;Q為流體的流速;W為裂縫接觸面的寬度;ΔP為上下游的壓力差;k為裂縫的滲透率。需要說明的是，由于上下游的壓力差常定義為下游壓力減去上游壓力，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為-100.0 kPa，式中的負(fù)號(hào)表示裂縫的水力開度為正值。

變滑移速率的剪切滑移過程中，滑移速率按照10，5，1，10，1，5 μm/s的速率交替變化，直到位移達(dá)到5.0 mm，實(shí)驗(yàn)過程中記錄剪切應(yīng)力變化和滑移速率改變時(shí)刻的變化。所有的實(shí)驗(yàn)均在室溫(25 ℃)條件下進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 變速率滑移裂縫摩擦強(qiáng)度變化

變滑移速率條件下，3種頁巖裂縫摩擦因數(shù)隨滑移距離的變化如圖4所示。

圖4 裂縫摩擦因數(shù)隨滑移距離的變化Fig.4 Friction coefficient change with slip displacement for three kinds of shale

由圖4可以看出，3種頁巖裂縫在剪切滑移過程中滑移速率突然改變時(shí)，裂縫的摩擦因數(shù)會(huì)隨之改變。在1～10 μm/s，龍馬溪組頁巖裂縫的穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.590～0.621，且隨著滑移速率變化，裂縫摩擦因數(shù)的變化不大。Green River頁巖裂縫面的摩擦因數(shù)大于龍馬溪組頁巖裂縫的摩擦因數(shù)，在0.571～0.633。Marcellus頁巖裂縫的摩擦因數(shù)最小，剪切強(qiáng)度最低，但隨著滑移速率的改變，裂縫面的摩擦因數(shù)變化較大，在0.435～0.520。

2.2 變速率滑移裂縫滲透率變化

如前所述，變滑移速率條件下，裂縫的滲透率可以通過立方定律得到。3種頁巖裂縫滲透率隨滑移距離的變化如圖5所示。

圖5 裂縫滲透率隨滑移距離的變化Fig.5 Fracture permeability evolution with slip displacement for three kinds of shale

需要說明的是，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的3種頁巖裂縫的滲透率遠(yuǎn)大于表1所示的頁巖基質(zhì)滲透率，因此，只考慮流體在裂縫中的流動(dòng)而不考慮流體通過裂縫面進(jìn)入頁巖基質(zhì)是可行的?？梢钥闯?，3種頁巖裂縫滲透率隨著滑移距離的增大而減小。裂縫滑移之前，龍馬溪組頁巖裂縫和Marcellus頁巖裂縫的初始滲透率較大，分別為57.2×10-12m2和58.1×10-12m2。Green River 頁巖裂縫的滲透率較小，為44.3×10-12m2。同時(shí)，可以看出，裂縫的滲透率并不是光滑下降的曲線。在滑移速率發(fā)生變化時(shí)，裂縫的滲透率會(huì)發(fā)生突變。

因此，為定量描述裂縫滑移速率的突變對(duì)裂縫滲透率變化的影響，引入?yún)?shù)描述相對(duì)滲透率的變化[26]:

Δk/ktrans=(kafter-ktrans)/ktrans

(6)

式中，Δk為滑移速率改變前后裂縫滲透率的變化值;ktrans為滑移速率變化時(shí)刻的裂縫滲透率;kafter為滑移速率改變后實(shí)際測(cè)量的裂縫滲透率。

3 討 論

3.1 礦物組分對(duì)頁巖裂縫面剪切強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)過程中的滑移速率變化導(dǎo)致了裂縫摩擦因數(shù)的變化。圖6繪制了3種頁巖裂縫摩擦因數(shù)與滑移速率的關(guān)系。3種頁巖裂縫的摩擦因數(shù)隨著滑移速率的增大而增大。對(duì)于同一種裂縫，在相同的圍壓作用下，當(dāng)裂縫面的滑移速率在1～10 μm/s，裂縫面的摩擦因數(shù)變化可以達(dá)到0.085(Marcellus頁巖)?？梢哉J(rèn)為，頁巖裂縫面的摩擦強(qiáng)度受滑移速率影響較大。

圖6 裂縫摩擦因數(shù)隨滑移速率的改變Fig.6 Friction coefficient change with the increase of slip rate

同時(shí)，由表2可知，3種頁巖裂縫的網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。因此，圖7繪制了裂縫摩擦因數(shù)隨網(wǎng)狀硅酸鹽和層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。

圖7 裂縫摩擦因數(shù)隨礦物組分的改變Fig.7 Friction coefficient change with the variation in mineralogical composition

由圖7可知，頁巖裂縫的摩擦因數(shù)隨著網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高而小幅度增加，隨著層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而顯著減小。

需要說明的是，由于本實(shí)驗(yàn)僅涉及3種頁巖，為進(jìn)一步總結(jié)頁巖礦物組分對(duì)裂縫摩擦因數(shù)的影響，本文匯總了相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，如圖8[27-31]所示。在頁巖裂縫滑移過程中，不同礦物組分的頁巖裂縫表現(xiàn)出不同的摩擦因數(shù)是由于不同礦物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異造成的。網(wǎng)狀硅酸鹽礦物通常具有更高的摩氏硬度(如石英礦物的摩氏硬度為7.0～7.5，長石的摩氏硬度為5.0～6.5)[32]，抗壓和剪切強(qiáng)度較大，是構(gòu)成巖石骨架的基本成分，能使巖石保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。相反的，層狀硅酸鹽礦物的層狀特性使得其穩(wěn)定性較差，滑移過程中的剪切應(yīng)力作用使得滑移容易沿著晶體結(jié)構(gòu)層面產(chǎn)生滑動(dòng)變形。同時(shí)，層狀硅酸鹽礦物的莫氏硬度也通常較小，如伊利石為1.0～2.0，高嶺石為2.0～2.5[32]。頁巖中的網(wǎng)狀硅酸鹽構(gòu)成了頁巖的骨架，保持頁巖的穩(wěn)定性，同時(shí)這些骨架中存在著隨機(jī)分布的層狀硅酸鹽礦物。隨著層狀硅酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，層狀硅酸鹽礦物顆粒會(huì)減小頁巖骨架之間的接觸，破壞網(wǎng)狀硅酸鹽構(gòu)成的巖石骨架，造成了滑移過程中，隨著層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，頁巖裂縫容易沿著層狀硅酸鹽礦物的層狀結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)，表現(xiàn)出較小的摩擦因數(shù)和摩擦強(qiáng)度[33]。

圖8 不同巖石裂縫摩擦因數(shù)隨礦物組分的改變[27-31]Fig.8 Friction coefficient change with the variation in mineralogical composition for different rocks[27-31]

3.2 礦物組分對(duì)頁巖滑移穩(wěn)定性的影響

根據(jù)裂縫滑移速率變化時(shí)刻頁巖裂縫摩擦因數(shù)的改變，我們通過自行編寫的MATLAB代碼，擬合得到a-b值的大小，擬合方法如圖9所示。

圖9 擬合得到(a-b)值的方法Fig.9 Method to derive the(a-b) value

根據(jù)式(3)和圖9所示的方法，計(jì)算得到3種頁巖裂縫面在滑移速率變化時(shí)刻的a-b值。圖10繪制了a-b值隨網(wǎng)狀硅酸鹽和層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。

圖10 a-b值隨礦物組分的變化Fig.10 a-b change with the variation in mineralogical composition

如圖10所示，3種頁巖裂縫在變化移速率的剪切滑移過程中均表現(xiàn)出速率強(qiáng)化的現(xiàn)象(a-b>0)。也就是說，當(dāng)剪切滑移速率突然增大時(shí)，裂縫面的摩擦因數(shù)也會(huì)增大，使得裂縫發(fā)生穩(wěn)定性的抗震滑移，即蠕變滑移。同時(shí)，Marcellus頁巖具有更大的a-b值，也就是更好的滑移穩(wěn)定性，這個(gè)結(jié)果與裂縫摩擦因數(shù)測(cè)試的結(jié)果相反。可以看出，高網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頁巖(龍馬溪組頁巖和Green River頁巖)具有較高的摩擦因數(shù)，但是當(dāng)剪切滑移速率突然增加時(shí)，a-b值較小，更容易產(chǎn)生不穩(wěn)定性質(zhì)的地震滑移;而對(duì)于高層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頁巖(Marcellus頁巖)，在穩(wěn)定滑移過程中，摩擦因數(shù)和摩擦強(qiáng)度較小，但當(dāng)剪切滑移速率突然變化時(shí)，裂縫面更容易表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗震滑移特征。

同樣地，本文僅使用了3種礦物組分的頁巖裂縫面，匯總了相關(guān)文獻(xiàn)中，巖石裂縫面a-b值與網(wǎng)狀硅酸鹽礦物和層狀硅酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，如圖11所示[27-31]。

圖11 不同巖石a-b值隨礦物組分的改變[27-31]Fig.11 a-b change with the variation in mineralogical composition for different rocks[27-31]

如圖11所示，裂縫的穩(wěn)定性受到頁巖裂縫面礦物組分的重要影響。隨著頁巖裂縫面網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，a-b值減小，頁巖裂縫面可能發(fā)生非穩(wěn)定性的地震滑移。相反的，隨著層狀硅酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，a-b值增大，頁巖裂縫的穩(wěn)定性提高，當(dāng)剪切滑移速率改變時(shí)，頁巖裂縫面容易發(fā)生穩(wěn)定性的抗震蠕變滑移。由圖11可知，速率弱化而可能導(dǎo)致的頁巖裂縫不穩(wěn)定性地震滑移可能發(fā)生在高網(wǎng)狀硅酸鹽和低層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的巖層中。

3.3 礦物組分對(duì)頁巖裂縫滲透率的影響

如前所述，當(dāng)頁巖裂縫剪切滑移速率突變時(shí)，頁巖裂縫的滲透率也會(huì)發(fā)生突變。因此，引入了參數(shù)Δk/ktrans描述頁巖裂縫面由于裂縫滑移速率改變而導(dǎo)致的滲透率變化，擬合方法如圖12所示。

圖12 擬合得到Δk/ktrans值的方法Fig.12 Method to derive the Δk/ktrans value

擬合得到的Δk/ktrans的值隨網(wǎng)狀硅酸鹽和層狀硅酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖13所示。

圖13 Δk/ktrans值隨礦物組分的改變Fig.13 Δk/ktrans values change with the variation in mineralogical composition

結(jié)果表明，整個(gè)滑移過程中，頁巖裂縫的滲透率逐漸減小。但是，當(dāng)滑移速率突然變化時(shí)，頁巖裂縫滲透率呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)形式。隨著網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，頁巖裂縫的滲透率傾向于增加;而隨著層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，頁巖裂縫的滲透率傾向于降低。圖14所示的模型從理論角度解釋速率增加時(shí)刻，為什么不同礦物組分的頁巖表現(xiàn)出不同的滲透率變化趨勢(shì)。

圖14 Δk/ktrans值隨礦物組分的改變的原因Fig.14 A schematic map to illustrate why permeability responses differently for shale fractures with various mineralogical composition

在恒定滑移速率的情況下，網(wǎng)狀硅酸鹽礦物顆粒通常具有更大的剪切剛度和顆粒直徑，在裂縫面滑移的過程中，礦物顆粒的變形較小，仍可以支撐起裂縫，保持一定的裂縫有效水力開度，也就造成了滑移過程中的裂縫滲透率降低幅度較小;而對(duì)于層狀硅酸鹽，層狀結(jié)構(gòu)的礦物顆粒具有低硬度和低剪切剛度的特征，造成了裂縫在滑移過程中，礦物顆粒具有更大的變形和破壞，填充了裂縫空間，使得裂縫有效開度急劇下降。

在滑移速率突然增大的時(shí)刻，對(duì)于高網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)頁巖而言，礦物顆粒的高硬度和剪切剛度造成礦物顆粒可能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，礦物顆粒形態(tài)的變化可能導(dǎo)致裂縫瞬間的開度變大，使得滲透率有較小幅度的上升;但是對(duì)于高層狀硅酸鹽的頁巖而言，滑移速率的突然增大，會(huì)使得層狀硅酸鹽的礦物結(jié)構(gòu)加速受到變形、破壞，這些破壞了的層狀硅酸鹽加速填充了裂縫中的孔隙，使得裂縫滲透率進(jìn)一步降低。

3.4 頁巖裂縫穩(wěn)定性-滲透率反饋的作用機(jī)制

通過上述分析，可以看出頁巖的礦物組分是控制變速率剪切滑移裂縫穩(wěn)定性和滲透率反饋的重要因素。因此，圖15繪制了頁巖裂縫面穩(wěn)定性參數(shù)a-b值和滲透率反饋參數(shù)Δk/ktrans的關(guān)系。需要說明的是，本研究測(cè)量得到的頁巖裂縫均表現(xiàn)出速率強(qiáng)化現(xiàn)象，即a-b>0。這里補(bǔ)充了ISHIBASHI等測(cè)量的花崗巖裂縫的數(shù)據(jù)[26]?？梢钥闯?，隨著a-b的值增大，裂縫面滑移更穩(wěn)定，同時(shí)裂縫滲透率反饋參數(shù)Δk/ktrans變小。也就是說，由于地質(zhì)作用的影響，裂縫滑移速率突然增加，裂縫發(fā)生穩(wěn)定的蠕變滑移時(shí)，裂縫的滲透率會(huì)進(jìn)一步降低;相反的，如果裂縫發(fā)生了非穩(wěn)定性的地震滑移，裂縫的滲透率可能增高。

圖15 穩(wěn)定性參數(shù)a-b與滲透率反饋參數(shù)Δk/ktrans的關(guān)系Fig.15 Relationship between rate dependent parameter a-b and permeability response parameter Δk/ktrans

根據(jù)上述分析，可以得到變速率滑移頁巖裂縫的穩(wěn)定性-滲透率相互作用機(jī)制，如圖16所示。

圖16 頁巖裂縫穩(wěn)定性-滲透率相互作用機(jī)制Fig.16 Schematic map to illustrate the coupling mechanism of stability-permeability of shale fractures

頁巖礦物組分是控制頁巖裂縫滑移過程中剪切強(qiáng)度、摩擦穩(wěn)定性和滲透率反饋的重要因素。網(wǎng)狀硅酸鹽礦物顆粒的強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使得頁巖裂縫面滑移過程中的摩擦因數(shù)較大，但是摩擦穩(wěn)定性參數(shù)a-b值較小，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的地震滑移。同時(shí)，高強(qiáng)度的礦物顆粒造成的剪脹作用，使得裂縫滲透率突然增加。相反的，層狀硅酸鹽礦物顆粒強(qiáng)度小，層狀結(jié)構(gòu)使其穩(wěn)定性較差。滑移速率突然增加時(shí)，常發(fā)生穩(wěn)定的蠕變滑移，滲透率進(jìn)一步降低。

4 結(jié) 論

(1)龍馬溪組頁巖和Green River頁巖在剪切滑移過程中具有較大的剪切強(qiáng)度，Marcellus頁巖呈現(xiàn)的剪切強(qiáng)度較小。頁巖礦物組分是控制頁巖裂縫剪切強(qiáng)度的重要因素，裂縫剪切強(qiáng)度隨著網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，隨著層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。

(2)受地應(yīng)力影響，滑移速率突然變化時(shí)，3種頁巖均表現(xiàn)出速率強(qiáng)化的現(xiàn)象，傾向于發(fā)生抗震性的穩(wěn)定蠕變滑移。從頁巖礦物組分來看，裂縫網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)使得穩(wěn)定性參數(shù)a-b減小，可能發(fā)生非穩(wěn)定性的地震滑移;層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得頁巖裂縫更穩(wěn)定，容易發(fā)生穩(wěn)定性的抗震蠕變滑移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非穩(wěn)定的地震滑移更容易發(fā)生在高網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和低層狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頁巖中。

(3)在高網(wǎng)狀硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的裂縫中，滑移速率突然增加導(dǎo)致的剪脹作用導(dǎo)致裂縫滲透率的增大，并且伴隨著非穩(wěn)定性地震滑移;高層狀硅酸鹽裂縫滑移速率突然增大時(shí)，裂縫面的加速破壞導(dǎo)致裂縫滲透率進(jìn)一步降低，同時(shí)伴隨著穩(wěn)定的蠕變滑移。

總之，頁巖礦物組分是控制頁巖裂縫滑移過程中剪切強(qiáng)度、穩(wěn)定性和裂縫滲透率反饋的重要機(jī)制。