温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相页岩的破坏规律

第17卷第22期2017年8月

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol. 17 No. 22 Aug. 2017

© 2017 Sci. Tech. Engrg.

1671—1815(2017)022-0112-05

建筑科学

温度压力耦合作用下不同层理倾角

陆相页岩的破坏规律

许丹

(

中铁十一局集团有限公司，武汉

43

〇〇

61)

摘要采集鄂尔多斯盆地陆相页岩实验样品，制作成具有不同层理倾角的标准试样，研究其在不同埋深条件下即温度压力

耦合作用下的三轴压缩破坏机理，裂缝形态、裂纹起始应力、裂纹破裂应力等规律。实验结果表明：鄂尔多斯盆地陆相页岩压

缩破坏过程中不包括裂隙压密阶段，埋深为

3 000 m

左右时，压缩破坏过程不包括裂隙压密阶段和弹性阶段，试样直接塑性破

坏;层理倾角和埋深对页岩裂纹起始应力、裂纹破裂应力和两者比例影响特别大；不同层理倾角和埋深的页岩的破坏机理和

破裂后的裂缝形态差异均很大。

关键词页岩 高温压力 三轴实验 破坏规律 裂纹起始应力 裂纹破裂应力

中图法分类号

TU459;

文献标志码

A

中国页岩气资源储量丰富，开采前景巨大，然

而，页岩储层非常致密、渗透率极低[1]，加上体积压

裂制造人工缝网技术不成熟等因素，使我国页岩气

商业化开采受到严重制约[2]。页岩储层埋藏深度

一般在200 ~ 700

m

之间时有利于开发，但随着需求

的增加，超过地下3 500

m

处的页岩气藏也被试图

开发[3]。迄今为止，页岩气水平井埋藏深度基本在

1 500 ~ 3 000

m

之间，随着深度增加，地质条件越来

越复杂，页岩储层不仅处于高地应力环境，还处于高

地热环境。因此，亟须弄清不同深度下页岩的破坏

规律，从而为钻井和体积压裂提供理论依据。

国内外许多研究者对温度、高压条件下岩石的

物理、力学特性，破坏规律，裂缝形态等做了大量的

研究。

Lau

等[4]研究了花岗岩等硬质岩的主要力学

参数随温度、围压的变化规律。

Jung

-

Woo

等[5]对不

同层理悔

f

角的页岩进行巴西劈裂和单轴压缩实验，

研究了页岩的强度参数和弹性模量的各向异性。衡

帅等[6]针对不同层理倾角的重庆龙马溪组海相页

岩进行了单轴和三轴压缩试验，分析了其力学特性、

强度特征和破裂模式的各向异性。孟陆波等[7]研

究了高温作用下围压对页岩力学特性的影响。倪纯

2016

年

12

月

20

日收到

作者简介:许丹

(1987—

），男，博士。研究方向：岩土工程、地质工

程等。

E-mail :359

〇

35%2@ qq. com

。

引用格式

:

许丹.温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相页岩的

破坏规律[J]

•

科学技术与工程，

2017, 17(22): 112—116

博等[8]高温对油气藏隔层岩石力学性质的影响。

左建平等

w

推导了在温度压力共同作用下岩石屈

服破坏准则。王艳梅等[1°]研究了温度变化对花岗

岩井壁稳定性的影响。孟召平等[11]总结了砂岩在

温度和压力共同作用下力学性质的变化。通过上述

研究发现以下问题:①大多数学者是单独研究温度

或围压对岩石物理力学性质的影响，实际上，随着深

度增加，温度和压力一般是同时增加的;②由于构造

作用的影响，页岩层理倾角随深部变化会发生较大

变化[12];③由于海相页岩便于制样，研究者均采用

海相页岩作为研究对象，鲜有见到针对陆相页岩的

力学实验研究。考虑上述不足，笔者采集了鄂尔多

斯盆地陆相页岩实验样品，制作成具有不同层理倾

角的标准试样，研究其在温度压力耦合作用下三轴

压缩破坏规律。

1试样备制及实验方案

1.1试样制备

试样采自于鄂尔多斯盆地陕西省铜川市半截沟

村采石场长7组页岩段，鄂尔多斯盆地从晚三叠世

进入内陆坳陷湖盆发育阶段，慢慢形成完整的湖

泊一三角洲相沉积演化旋回m。陆相页岩层理极

薄，层理间胶结强度弱，采样时尽量保证其完整性。

将刚采集的样品加工成层理倾角分别为〇°、30°、

60。、90。的直径为50

mm

、长度为100

mm

的标准试

样，如图1所示，并用蜡封装好防止风化。

Xu Dan. Failure mechanism of continental shale with different bedding

angles under coupling effects of temperature and confining pressure

[ J ].

Science Technology and Engineering, 2017, 17(22)

：

112—116

1.2实验方案

由于构造作用强烈，鄂尔多斯盆地陆相页岩储

22期

许丹:温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相页岩的破坏规律

113

图

1

页岩加工示意图

Fig. 1 Shale processing diagram

层目标段埋深有很大差异，不同埋深的围压和温度

也均不同。根据鄂尔多斯盆地不同深度下垂直应力

和水平主应力的分布规律[13]和地层温度的确定方

法[

H

]分析可知，鄂尔多斯盆地埋深1 500、2 000、

2 500、3 000

m

处平均水平主应力分别为40

MPa

、

52

MPa

、64

MPa

、76

MPa

;平均地层温度分别为

42 °

C

、56 °

C

、70 °

C

、84 °

Cg

实验工况组合如图2

所示

倾角为0°倾角为30°倾角为60°倾角为90s

深度为1 500 m…

温度为42 °C，

'围压为40 MPa

深度为2 000 m--

温度为56 °C，

围压为52 MPa

深度为2 500 m--

温度为70°C，

围压为64 MPa

深度为3 000 m_ -

温度为84 °G，

围压为76 MPa

图

2

实验工况组合

Fig. 2 Combination of experimental condition

1.3实验设备与方法

实验采用中科院声学所的

RTR

—2000高压岩石

三轴动态测试系统，见图3,该系统引进自美国

GCTS

公司，系统配有高刚度加载架，荷载刚度达

10

MN

/

mm

;不锈钢压力室的升降可以通过一个按钮

实现，无须额外的螺栓和紧固件来组装即可实现自动

密封;系统配置有高精度压力、温度、声波等传感器;

系统可提供最大轴压2 000

kN

，最大围压140

MPa

最

高温度200

°C

;可以根据用户的要求测试不同尺寸

的试样，试样一般为尺寸从直径25〜100

mm

、高从

50〜200

mm

左右的圆柱体岩样;测试条件的改变和

数据采集可完全通过计算机控制进行。为保证对试

样加温均勻，按照2 °

C

/

min

升温速度加热到预定温

度后，保持恒温6

h

。实验采用位移控制方式，以

0.01

mm

/

min

的加载速度同时施加围压和轴压，达

到预定值后，围压保持恒定，以〇. 〇〇6

mm

/

min

的加

载速度施加轴压，直至试件完全破坏。

图

3

实验装置

Fig. 3 Experimental apparatus

2头验结果分析

2.1应力应变曲线分析

图4为层理倾角为30°、埋深为1 500

m

的页岩

三轴压缩破坏应力应变曲线，体积应变为

sY

~

sx

+ 2^3 ⑴

式（1)中，&为轴向应变，

A

为径向应变。

由于弹性体积应变为

=

1 - ^3) ⑵

则裂隙体积应变[14]为

sc

= -

se

(3)

图4中裂隙体积应变曲线中& = 0的点对应的

偏应力为裂纹起始应力，体积应变曲线中峰值

点对应的偏应力心

d

为裂纹破裂应力，轴向应变-偏

应力曲线中峰值点

q

为峰值应力。

一般脆性岩石如花岗岩、砂岩等压缩破坏过程

包括5个阶段:裂隙压密阶段、弹性阶段、裂纹稳定

114

科学技术与工程

17卷

图

4

层理倾角为

30°

、埋深为

1 500 m

的页岩压缩

破坏应力应变曲线

Fig. 4 Compression failure stress-strain curves of shale with

30° bedding structure angel and 1 500 m buried depth

扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后阶段。从所有

试样应力应变曲线可明显观察到：页岩的压缩破坏

过程不包括裂隙压密阶段，原因是页岩非常致密;埋

深为3 000 m左右时，不管层理倾角如何，试样直接

塑性破坏，压缩破坏过程不包括裂隙压密阶段和弹

性阶段，如图5所示。

图

5

层理倾角为

90°

、埋深为

3 000 m

的页岩

压缩破坏应力应变曲线

Fig. 5 Compression failure stress-strain curves of shale with

90° bedding structure angel and 3 000 m buried depth

2.2裂纹起始应力

埋深为3 000 m左右时，页岩压缩破坏过程

不包括裂隙压密阶段和弹性阶段，因此应力应变

曲线上无对应的裂纹起始应力特征点，其他试样

的裂纹起始应力如图6所示，分析可知：埋深不

超过2 500 m，页岩层理倾角相同时，埋深越深，

越小；埋深为1 500 m时，页岩层理倾角为0°

和90°时crei最大，层理倾角为30°时crei最小；埋

深为2 000〜2 500 m时，同一埋深下不同层理倾

角页岩的^i变化不大；层理倾角为30°和60°

时，不同埋深的~相差不大，层理倾角为〇°和

90°时，相差很明显，说明裂纹扩展受层理倾角的

影响极大。

图

6

不同层理倾角试样的&值

Fig. 6 The crci value of shale with different

bedding structure angel

2.3裂纹破裂应力

试样破裂应力是指体积应变曲线上由体积压

缩到体积扩张的反转点对应的应力应变曲线上特

征点的偏应力，表示试样裂纹扩展贯通、体积扩

容。图7为不同深度条件下试样的破裂应力，埋

深不超过2 500 m时，页岩层理倾角为0°和90°

时，^d随埋深增加而增加，页岩层理倾角为30°和

60°时反而减小;埋深为3 000 m时，页岩压缩破坏

时直接塑性破坏，^d需单独分析，此时，页岩层理

倾角为〇°的〇^最大，90°的其次，30°的最小。通

过以上分析可知：页岩的层理倾角和埋深对^d的

影响均很大。

2.4裂纹起始应力与裂纹破裂应力之比

Martin等[15]通过岩石长期强度实验、试样尺

寸效应实验、循环加卸载实验等得出^和与试

样尺寸无关，是岩石长期可靠强度值，而峰值

强度有很明显的尺寸效应，因此是岩石

在特定条件下内部性质的反映。图8为不同深度

条件下值，当页岩层理倾角为0°和90°时，

〜/〜值随埋深增加而较小；当页岩层理倾角为

30°和60°时，。/'d值随埋深增加变化不大。

22期

许丹:温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相宽岩的破坏规律

115

图

7

不同深度下试样的&^直

Fig. 7 The crcd value of shale with different

bedding structure angel

图

8

不同深度条件下

(7

。

/

〇^值

Fig. 8 The crci/crcd value of shale with different buried depth

3破裂机制分析

图9为试样压缩破坏后的裂缝形态，图10为

试样破坏后主要裂缝形态示意图，分析可知•.当页

岩层理倾角为〇°，埋深为1 500

m

左右时，主要裂

缝形态单一，为剪切破坏，埋深为2 000

m

时出现

X

共轭剪切破坏，并且成群出现，雁形排列，随埋

深增加，

X

共轭角度逐渐增大;当页岩层理倾角为

30°，埋深较浅时，沿层理面产生许多微裂纹，受层

理面影响严重，埋深较深时，主要裂缝形态单一,

剪切破坏；当页岩层理倾角为60°时，主要沿层理

面破坏，数量多且平行排列；当页岩层理倾角为

90°时，主要为压致张拉破裂，随埋深增加会产生

许多水平裂缝$

图

9

试样压缩后裂缝形态

Fig. 9 Fracture morphology of sample after compression

倾角为0°倾角为30°倾角为60°倾角为90°

围压为40 MPa

温度为42 °C

围压为52 MPa

温度为56

围压为64 MPa

温度为70 °C

围压为76 MPa

温度为84 ID

图

10

裂缝形态示意图

Fig. 10 Diagram of fracture morphology

4结论

考虑前人研究的不足，采集了鄂尔多斯盆地陆

相页岩实验样品，制作成具有不同层理倾角的标准

试样，研究其在温度压力耦合作用下的破坏规律，得

到以下结论。

(1) 鄂尔多斯盆地陆相页岩非常致密，压缩破

坏过程中不包括裂隙压密阶段;埋深为3 000

m

左

右时，不管层理倾角如何，压缩破坏过程不包括裂隙

压密阶段和弹性阶段，试样直接塑性破坏。

(2) 埋深不超过2 500

m

，页岩层理倾角相同

时，埋深越深，越小;埋深为1 500

m

时，页岩层

理倾角为〇°和90°时〜

i

最大，层理倾角为30°时

〜i

最小;埋深为2 000〜2 500

m

时，同|埋深下不同层

理倾角页岩的变化不大。

(3) 页岩的层理倾角和埋深对^_的影响均很

大;埋深不超过2 500

m

时，页岩层理倾角为0°和

90°时，

cred

随埋深增加而增加，页岩层理倾角为30°

和60°时反而减小;埋深为3 000

m

时，页岩压缩破

坏时直接塑性破坏，需单独分析，此时，页岩层

理倾角为〇°的值最大，90°的其次，30°的最小

Q

(4) 当页岩层理倾角为〇°和90°时，〜/〜

随埋深增加而较小;当页岩层理倾角为30°和6

(T

时，〜/&值随埋深增加变化不大9

(5) 当页岩层理倾角为0°，埋深为1 500

m

时，为剪切破坏，埋深为2 000

m

时出现

Z

共轭剪切

破坏，并且成群出现，雁形排列，随埋深增加，共轭

角度逐渐增大;当页岩层理倾角为30°，主要裂缝形

态单一，剪切破坏;当页岩层理倾角为60°时，主要

沿层理面破坏;当页岩层理倾角为90°时，主要为压

致张拉破裂。

参考文献

1

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d值

左右

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Failure Mechanism of Continental Shale with Different Bedding Angles under

Coupling Effects of Temperature and Confining Pressure

XU Dan

(China Railway 11th Bureau Group, Co. Ltd, Wuhan 430061 , P. R. China)

[

Abstract

] Taken insufficient account of the effects of temperature and confining pressure on failure of rocks that

many researchers at home and abroad had done before, continental shale experimental sample located in Ordos Basin

have been drilled. In order to study the rule of tri-axial compression failure, fracture morphology, crack initiation

stress and crack damage stress, standard sample with different stratification angle were made from that been drilled in

Ordos Basin. Results show that the failing process in axial compression of continental shale in Ordos Basin not include

fracture compaction stage. When burial depth was around 3 000 m, the failing process in axial compression not in­

clude fracture compaction stage and elastic stage, samples were plastic broken directly. Crack initiation stress, crack

damage stress and the ratio of them were affected by stratification angle and burial depth. The difference of failure

mechanism and fracture morphology after failure of different stratification angle and burial depth are very obviously.

[

Key words

] Shale temperature confining pressure tri-axial compression experiment failure rule

crack initiation stress crack damage stress