頁巖紋層與破裂方式實(shí)驗(yàn)研究

唐洪明 ，唐 園，鄭馬嘉，2，劉 佳，邊瀅瀅

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司氣田開發(fā)管理部，四川 成都 610051；3.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川 成都 610051；4.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552

引言

川南地區(qū)龍馬溪組頁巖紋層發(fā)育，頁巖氣資源豐富，但礦物組成復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)[1-3]。針對頁巖氣儲層的破裂方式，Griffith 認(rèn)為巖石中的裂紋尖端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，庫倫-納維爾發(fā)現(xiàn)巖石的正-剪應(yīng)力組合達(dá)到最不利條件產(chǎn)生破裂[4]。頁巖受力產(chǎn)生的張性破裂面光滑，而剪切破裂面粗糙有壓痕，與應(yīng)力方向有夾角[5-7]。單軸實(shí)驗(yàn)下，頁巖破裂產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展演化表明多裂紋相互作用導(dǎo)致巖體宏觀力學(xué)性質(zhì)連續(xù)降低[8-11]，影響因素主要有巖石種類、紋層傾角、礦物組成、膠結(jié)狀況及加載方向等[12-15]。對于不同取芯角度的頁巖在三軸壓縮下破裂方式也有多種分類[16-20]，主要包括圍壓、頁巖種類、取芯深度、紋層傾角、礦物組成及地應(yīng)力等[21-25]，且有證據(jù)表明，宏觀破裂是由微裂隙張性擴(kuò)展和剪切滑移破裂引起的[26-29]。

國內(nèi)外眾多專家學(xué)者通過室內(nèi)單軸壓縮、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)等對世界各地頁巖的破裂方式取得了較多研究成果，但很少學(xué)者借助CT 切片掃描技術(shù)對頁巖不同紋層發(fā)育程度及礦物組成影響破裂方式等方面進(jìn)行研究，破裂方式與紋層產(chǎn)狀的認(rèn)識不夠明確。因此，在單軸、三軸壓縮下研究不同紋層傾角的頁巖礦物組成與紋層對破裂方式的影響可為后期儲層壓裂改造提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品制備及方法

實(shí)驗(yàn)所用巖芯取自川南地區(qū)X101 井龍馬溪組灰黑色頁巖，紋層發(fā)育，6 組巖樣共24 塊。按照實(shí)驗(yàn)制作方法，將頁巖加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，實(shí)驗(yàn)試件尺寸為φ25 mm×50 mm。鉆取6 個垂直紋層方向（90°）巖樣做單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，鉆取垂直紋層方向（90°）、斜交紋層（45°）及平行紋層方向（0°）的3個方向18 個巖樣做常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（圖1），實(shí)驗(yàn)儀器為美國RTR–1000 型三軸巖石力學(xué)伺服測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中保持圍壓31.56 MPa。各組頁巖巖樣的礦物組成見表1，壓應(yīng)力方向如圖2 所示（圖中，σ1--主壓應(yīng)力，MPa；σ2，σ3--圍壓，MPa，σ2=σ3）。

圖1 頁巖取芯示意圖Fig.1 Shale coring diagram

表1 巖樣礦物成分表Tab.1 Mineral composition of rock samples

圖2 單軸壓縮和三軸壓縮時的壓應(yīng)力方向示意圖Fig.2 Diagram of compressive stress direction under uniaxial compression and triaxial compression

2 紋層發(fā)育特征

X101 井龍馬溪組頁巖的測井響應(yīng)及紋層特征見圖3。X101 井龍馬溪組頁巖為深水陸棚相沉積，整體伽馬值較高，部分層段數(shù)值變化大，可能是由于水平紋層發(fā)育導(dǎo)致縱向非均質(zhì)性變強(qiáng)。

圖3 X101 井龍馬溪組頁巖的測井響應(yīng)及紋層特征Fig.3 Logging response and lamina characteristics of Longmaxi Formation shale in Well X101

根據(jù)巖芯測井解釋結(jié)果與鑄體薄片觀察可以看出，井深3 470.70 m 的1 號巖樣測井伽馬值為180 API，井深3 488.07 m 的3 號巖樣伽馬值高達(dá)200 API，可能含較多生物化石，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)4.14%，且黏土礦物含量為30.40%，泥質(zhì)含量較高。其他樣品的伽馬值為70～140 API，略微偏低，發(fā)育硅質(zhì)紋層（圖3）。頁巖中礦物相對含量的不同使發(fā)育的紋層表現(xiàn)為顏色深淺不同[13]，石英含量越高，紋層越表現(xiàn)為亮色，而有機(jī)質(zhì)與黏土礦物含量越多，紋層越為暗色，強(qiáng)度越低。

頁巖紋層整體較為發(fā)育，紋層發(fā)育密度平均為2～3 條/cm，可見黏土質(zhì)與硅質(zhì)、粉砂質(zhì)紋層等相間分布。隨深度增加，黏土礦物含量呈逐漸減小的趨勢，石英含量逐漸增加。井深3 495.65 m 的5 號巖樣中清晰可見厚約1 cm 的亮色硅質(zhì)紋層段，石英含量高達(dá)71.00%，且含有放射蟲化石，巖樣力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)。巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)紋層、粉砂質(zhì)紋層及鈣質(zhì)紋層大量發(fā)育，部分層段為大段的黏土質(zhì)與粉砂質(zhì)互層的頁巖，分段性特征明顯。紋層發(fā)育密度與厚度等在各層段上不盡相同，縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)。紋層宏觀表現(xiàn)為較規(guī)則或平行，但礦物顆粒等結(jié)構(gòu)使紋層面存在微小起伏。

3 單軸壓縮下頁巖的破裂方式

實(shí)驗(yàn)所取頁巖為主壓應(yīng)力垂直紋層方向（90°），實(shí)驗(yàn)后力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果見表2，頁巖在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中以張性破壞為主[28]。巖樣受力形成貫穿紋層的張拉劈裂破壞，沿主壓應(yīng)力方向產(chǎn)生豎向宏觀裂縫，主縫延伸方向與紋層的夾角在80°～90°（圖4）。

表2 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)后力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical parameters after uniaxial compression test

圖4 垂直紋層的巖樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)CT 圖Fig.4 CT images of rock samples under uniaxial compression with vertical lamina

根據(jù)線彈性斷裂機(jī)制，如果形狀和方向等條件相同，巖石中最長且與主壓應(yīng)力平行的裂縫將沿應(yīng)力方向最先貫穿形成一條主縫[4]。暗層與亮層之間通過主縫相互連通，但紋層的非均質(zhì)性使得數(shù)條高角度主縫錯斷拐向，沿水平紋層薄弱面產(chǎn)生破裂。圖4中可見次級裂縫集中發(fā)育在主縫邊緣，并且沿著礦物顆粒間或?qū)娱g等強(qiáng)度低的部分?jǐn)U展，表現(xiàn)為亮色紋層（紅色箭頭）處主縫具有一定的寬度，縫面較為平整，次級裂縫幾乎不發(fā)育。暗色紋層基質(zhì)結(jié)構(gòu)相對疏松（綠色箭頭），B、C 橫截面表明暗色紋層面相對亮色部分來說，次級裂縫更為發(fā)育，與主縫近平行，與紋層呈75°～80°斜交（圖5）。主縫是顆粒間或者層間等薄弱面的破裂密集發(fā)育并擴(kuò)展貫通的宏觀表現(xiàn)。

圖5 垂直紋層的巖樣單軸壓縮后的破裂方式Fig.5 Fracture mode of rock samples under uniaxial compression with vertical lamina

從圖6 所示的單軸壓縮下礦物組分與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系可以看出，單軸壓縮下的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量均與石英含量的正相關(guān)性較弱，而與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.5，表明石英含量越多，巖樣越不容易發(fā)生破壞，力學(xué)性質(zhì)越強(qiáng)。泊松比與礦物組分無明顯相關(guān)性，可能與內(nèi)部天然孔縫閉合及破裂后巖樣體積擴(kuò)張有關(guān)。

圖6 單軸壓縮下礦物組分與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between mineral composition and mechanical parameters under uniaxial compression

井深3 495.65 m 的5 號巖樣完全破碎且抗壓強(qiáng)度高達(dá)335.61 MPa，楊氏模量66.14 GPa，泊松比0.202，原因在于石英含量較高，富含放射蟲化石等硅質(zhì)礦物。但巖樣紋層發(fā)育密度較弱，邊界模糊，顆粒排列雜亂，空間上礦物組成及其相對含量的疊置關(guān)系形成紋層，可見一段厚度較大的亮色紋層以及少量黏土質(zhì)--粉砂質(zhì)互層（圖3），因而力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)。由于石英等礦物增強(qiáng)了紋層間固結(jié)作用，巖樣受到較大應(yīng)力時才會產(chǎn)生破裂，破裂面沿水平紋層等弱面結(jié)構(gòu)發(fā)育，無側(cè)向壓力下的橫向變形相對縱向較大，產(chǎn)生的破裂面數(shù)量較多。巖樣內(nèi)部起裂的多處破裂面應(yīng)力相互干擾，宏觀表現(xiàn)為破壞時抗壓強(qiáng)度偏高，最終破裂形成多個塊體。

4 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究

4.1 紋層傾角對破裂方式的影響

垂直紋層的巖樣受力方向見圖2，形成剪切破壞（圖7），同時產(chǎn)生了與紋層平行的拉張破裂面。巖樣形成的剪切主縫與紋層高角度斜交（夾角為60°～65°），或近垂直紋層。

圖7 垂直紋層的巖樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)CT 圖Fig.7 CT images of rock samples under triaxial compression with vertical lamina

圖8 為45°斜交紋層的巖樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)CT圖，可以看出，巖樣以剪切滑移破壞為主，形成的一條主縫在剪切力作用下基本順紋層面擴(kuò)展，或與紋層呈10°～45°的低角度斜交，多發(fā)生在基質(zhì)礦物暗色紋層，同時，礦物組成和排列方式等非均質(zhì)性也會導(dǎo)致破裂時產(chǎn)生的裂縫轉(zhuǎn)折拐向不同。

圖8 45°斜交紋層的巖樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)CT 圖Fig.8 CT images of rock samples with 45° oblique lamina under triaxial compression

平行紋層的巖樣破裂方式主要為共軛剪切破壞，產(chǎn)生的兩個剪切破裂面呈“X”形相交，兩破裂面所夾銳角的角平分線平行于紋層方向，主縫與紋層的夾角為18°～25°（圖9）。在圍壓作用下，巖樣側(cè)向體積發(fā)生收縮，隨主壓應(yīng)力施加的過程中，由于礦物等內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，強(qiáng)度高的石英顆粒等與黏土基質(zhì)部分會發(fā)生交錯形變，導(dǎo)致近垂直于紋層方向發(fā)生破裂。

圖9 平行紋層的巖樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)CT 圖Fig.9 CT images of rock samples with parallel lamina under triaxial compression

4.2 礦物組分與破裂方式的關(guān)系

垂直紋層巖樣的抗壓強(qiáng)度與石英呈明顯正相關(guān)，與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。對于平行紋層方向的巖樣，其相關(guān)性較垂直紋層方向的巖樣差。45°斜交紋層巖樣的抗壓強(qiáng)度最低，與礦物成分無明顯相關(guān)性，這是因?yàn)榇藭r由紋層面控制巖樣的破裂方式。

平行紋層的巖樣楊氏模量最高，垂直紋層方向楊氏模量最低，楊氏模量均表現(xiàn)出與石英含量呈顯著正相關(guān)，與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)。泊松比與礦物組分的相關(guān)性不明顯，與紋層發(fā)育程度及巖樣受力時內(nèi)部壓實(shí)作用有關(guān)（圖10，圖11）。

圖10 三軸壓縮下不同紋層傾角的巖樣石英含量與力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.10 Relationship between quartz content and mechanical parameters of rock samples with different lamina dip angles under triaxial compression

圖11 三軸壓縮下不同紋層傾角的巖樣黏土礦物含量與力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.11 Relationship between clay mineral content and mechanical parameters of rock samples with different lamina dip angles under triaxial compression

垂直紋層的巖樣破裂形成1～2 條剪切主縫，次級裂縫沿黏土礦物暗色紋層間等薄弱面擴(kuò)展，方向與主縫近平行（圖12）。圖7 中6 個巖樣的軸向截面A 中暗色紋層處的次級裂縫擴(kuò)展延伸方向與紋層呈45°～65°高角度斜交或近垂直紋層，亮色紋層（紅色箭頭）處強(qiáng)度較高，B、C 橫截面也表明亮色紋層僅可見一條主縫，垂直紋層的巖樣楊氏模量相對低，泊松比也較低，可能是由于礦物顆粒排列雜亂無章，受主壓應(yīng)力和圍壓作用，紋層間的固結(jié)作用增強(qiáng)，巖樣縱向壓縮變形比較大。

圖12 不同紋層傾角的巖樣三軸壓縮后的破裂方式Fig.12 Fracture modes of rock samples with different lamina dip angles after triaxial compression

井深3 495.65 m 的5 號巖樣抗壓強(qiáng)度相對其他傾角或垂直紋層的其他巖樣明顯偏高，主要是因?yàn)槭⒑扛撸M成的亮色紋層段具有一定厚度，集中分布在巖樣內(nèi)部，與暗色紋層相間分布的特征不明顯，亮色紋層面兩側(cè)發(fā)生了硬脆性礦物與微結(jié)構(gòu)相對疏松黏土礦物基質(zhì)相互擠壓的細(xì)微變化，薄片中可見的大量硅質(zhì)礦物及放射蟲化石增強(qiáng)了巖樣內(nèi)部的承載能力，巖石縱向收縮，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的較高值。由于礦物相對含量的不同形成了大段的暗色或亮色紋層，紋層單層厚度較大，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了異常的力學(xué)參數(shù)結(jié)果，主要受紋層發(fā)育程度的影響，最終表現(xiàn)為頁巖破裂方式的不同。

由圖8 可以看出，45°斜交紋層巖樣受剪切滑移作用產(chǎn)生了幾乎沿紋層面的一條破裂面，抵抗變形破壞的能力較弱，6 號巖樣完全順暗色紋層面破裂，紋層面內(nèi)聚力小，相對其他紋層傾角的橫向變形較大，因而泊松比偏高，達(dá)0.211。巖樣橫截面中可見亮色紋層幾乎不發(fā)育次級裂縫，但在暗色紋層處十分發(fā)育，與紋層為15°～40°低角度斜交（圖12）。

平行紋層巖樣的楊氏模量最高，整體泊松比也相對較高。但6 號巖樣泊松比明顯低于其他紋層傾角，原因在于其石英含量為84.6%，硅質(zhì)紋層連續(xù)性較差，導(dǎo)致縱向壓縮變形偏大，是紋層間次級裂縫擴(kuò)展的結(jié)果（圖10，圖11）。由于σ1與紋層方向的共同作用，巖樣在表面某處應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生破裂，沿著黏土礦物等軟弱面結(jié)構(gòu)伸展，分別向兩個方向呈“X”形延伸，形成共軛剪切破裂，破裂面邊緣集中發(fā)育的大量次級裂縫沿暗色紋層擴(kuò)展。圖9中B、C 橫截面圖中同樣可以看到兩主縫近于平行，暗色紋層的次級裂縫較發(fā)育，與紋層近似平行，或呈25°～30°低角度斜交。

5 結(jié)論

（1）次級裂縫擴(kuò)展集中于主縫邊緣，方向與主縫平行或呈5°～30°的低角度斜交，暗色紋層處的次級裂縫相對較發(fā)育，主縫是顆粒間或?qū)娱g等強(qiáng)度低處的次級裂縫密集發(fā)育并擴(kuò)展貫通的宏觀表現(xiàn)。頁巖紋層形成主要是由于空間上礦物組成及其相對含量的疊置關(guān)系，硅質(zhì)紋層發(fā)育單層厚度大將增強(qiáng)巖石力學(xué)性質(zhì)。

（2）單軸壓縮下，垂直紋層的巖樣形成張拉劈裂破壞，主縫與紋層呈80°～90°高角度斜交，次級裂縫與紋層的夾角在75°～80°?？箟簭?qiáng)度、楊氏模量與石英含量的正相關(guān)性較弱，而與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)，泊松比與礦物組分無明顯相關(guān)性。

（3）三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，垂直紋層的巖樣為剪切破壞，楊氏模量最低，主縫與紋層的夾角為60°～65°，次級裂縫擴(kuò)展方向與紋層的夾角多為45°～65°；45°斜交紋層的巖樣以沿紋層面的剪切滑移破壞為主，抗壓強(qiáng)度最低，主縫與紋層以10°～45°低角度斜交，次級裂縫與紋層夾角為15°～40°；平行紋層的巖樣為共軛剪切破壞，楊氏模量最高，兩破裂面所夾銳角平分線平行于紋層方向，兩主縫與紋層的夾角在18°～25°，次級裂縫與紋層近平行，或25°～30°斜交。

（4）垂直紋層巖樣的抗壓強(qiáng)度與石英呈顯著正相關(guān)，與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)；平行紋層方向的巖樣抗壓強(qiáng)度與石英、黏土礦物的相關(guān)性較弱；45°斜交紋層樣品的抗壓強(qiáng)度與礦物成分無相關(guān)性。不同紋層傾角巖樣的楊氏模量均表現(xiàn)出與石英含量呈顯著正相關(guān)，與黏土礦物呈顯著負(fù)相關(guān)；泊松比與礦物組分的相關(guān)性不明顯，這與紋層發(fā)育程度及巖樣受力時內(nèi)部壓實(shí)作用有關(guān)。