单轴压缩下页岩力学特性的各向异性试验研究

张永泽 刘俊新， 冒海军 霍 亮 侯振坤

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳621010;2. 中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉430071;3. 重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044)

页岩气作为一种非常规能源，储量巨大，有广阔的开采前景。美国能源信息署(EIA)评估数据显示:当前全球拥有页岩气资源187 ×1012m3，其中我国页岩气技术可采储量为36.08 ×1012m3，位居世界第一。因此，加快对页岩气开采技术的研究具有十分重要的工程意义，然而页岩是沉积岩，具有明显的层理结构特征，表现出明显的各向异性特征，这些特征对水力压裂优化问题和井壁失稳问题具有较大影响［1］。为了实现页岩气的高效开采，迫切需要开展页岩的各向异性特征试验，分析其不同倾角下的力学性质，这对解决页岩气开采过程中的水力压裂问题和井壁失稳问题具有很重要的实际工程意义。

目前，国内外学者对页岩的各向异性做了许多研究。J. C. Jaeger 等［2］通过对层状岩体的弹性参数进行各向异性的试验和理论分析，提出了横贯各向同性岩体的理论准则。席道瑛等［3］从横贯各向同性理论出发，对砂岩的弹性波波速、静动态弹性模量和静动态泊松比进行了研究，并指出了各参数均遵循横贯各向同性材料的近似椭圆变化规律。Jung － Woo Cho等［4］通过不同角度下页岩和片岩的单轴压缩试验和巴西劈裂试验，研究了页岩和片岩的弹性参数以及强度的各向异性。高春玉等［5］研究了砂板岩力学特性的各向异性，并分析了层理倾角对岩石变形特性、强度特征及其参数的影响。刘运思等［6］通过不同层理方向的巴西劈裂试验，分析了破坏模式、抗拉强度、弹性模量和泊松比的各向异性。冒海军等［7］研究了结构面对板岩力学特性的影响，得出板岩的破坏形式随结构面的变化而不同，总体上可以产生沿结构面滑移、剪切和复合破坏等3 种破坏形式。H. Niandou等［8］对Tournemire 页岩进行了研究，并分析了Tournemire 页岩的力学各向异性。

以上学者等对页岩或者具有层理结构的岩石进行了众多研究，除此之外，Donath 等［9-10］、Niandou等［8］对页岩和板岩进行了试验研究，周大千［11］对砂岩和油页岩进行了试验研究。这些研究使得人们对页岩的各向异性有了一定的了解，但是，由于页岩处于一种复杂的应力状态下，因此想要更进一步了解页岩的各种特性，还需要在此基础上进行更多的室内试验。本研究从单轴试验出发，系统地研究了页岩的物理力学参数、破坏模式等，为页岩气的开采工作提供了必要的理论支撑。

1 试验方案

1.1 试样制备

试样取自重庆彭水志留系龙马溪组页岩区块的新鲜露头，取样方法如下:先从同一大块页岩上钻取直径150 mm 的长柱岩芯，再从长柱岩芯上钻取倾角不同小岩芯，这样对与裂隙发育和较松散的岩层，可以避免岩样受外力作用而改变其物理力学性质。这些小岩芯的取样方向与层理面角度θ 分别成0°、22.5°、45°、67.5°和90°，如图1 所示。

图1 试样层理面角度示意Fig.1 The angles of sample bedding plane

1.2 试验设备及试验方案

本次试验是在中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT－150C 岩石力学机上进行的，采用位移控制，加载速率为0.001 mm/s;声波测试采用中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器室研制的RSM －SY6 型非金属超声波检测仪，其试验误差可控制在0.5%以内，试验时采用直达波法，换能器布置在试样两端面中心，接触面采用超声波耦合剂耦合，使用纵波采样。

2 试验结果分析

2.1 微观结构分析

本次试验采用德国Bruker AXS D8 －Focus X 射线衍射仪对龙马溪组页岩的矿物组分进行分析，发现龙马溪组页岩主要以石英等脆性矿物和黏土类矿物为主，其中石英含量最高，可达51%，加上钾长石、钠长石等脆性矿物后含量可达61.4%，属于可压性较高储层，较适合水力压裂。黏土类矿物含量为32.4%，其余矿物含量为6.2%。结果见表1。

表1 页岩矿物含量分析结果Table 1 Mineral content analysis of shale

采用中国科学院武汉岩土力学研究所Quanta 250 扫描电子显微镜对页岩的岩芯进行扫描，为了使得页岩的各向异性具有更好的对比性，选取了与层理面成0°和90°的岩芯进行电镜扫描，放大倍数为2 000倍。扫描结果如图2 所示。

通过对比可以看出，在垂直于层理面方向(θ =90°)，存在明显的孔隙和微裂缝，见图2(a)中圆圈标注内。这些孔隙和微裂缝易形成生烃超压裂缝，为页岩气的开采提供通道。在平行于层理面方向(θ =0°)，各种矿物颗粒排列较为规则，孔隙和微裂缝不发育。由此可见，页岩的各向异性是其本身的固有特征，在其沉积过程中就已经形成。

2.2 不同层理面方向的单轴压缩试验分析

2.2.1 应力应变曲线各向异性分析

应力－应变曲线如图3 所示。

图2 页岩微观结构Fig.2 Microstructure analysis figure of shale

分析图3 应力－应变曲线，主要可以得出以下结论。

图3 单轴压缩下页岩应力－应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of shale under uniaxial compression

(1)该应力－应变曲线属于Ⅱ类曲线，在应力较低时，无明显的压密阶段，应力－应变曲线近似于直线;当应力增加到峰值强度后，试样突然发生破坏，表现出明显的脆性。

(2)峰值过后，应力－应变曲线表现为波浪型，甚至在未达到峰值时，曲线就已表现出该特征，这说明由于层理面的存在，使得不同层理角度的试样表现出不同的破坏模式，具体分析见2.2.2 节破坏模式分析一节。

(3)随着层理面角度的不同，页岩表现出不同的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等。

2.2.2 页岩破坏模式各向异性分析

页岩破坏模式如图4 所示。

图4 页岩典型破坏形态图Fig.4 Typical failure pattern of shale

页岩作为一种具有层理结构的脆性岩石，随着层理面角度的不同，其破坏模式表现出了明显的各向异性。

(1)当岩芯方向与层理面夹角θ =0°时，破坏模式是沿着层理面的张拉破坏。破坏时，试样形成了多个平行于层理面的张拉破坏面，这是因为在轴向加载时，试样轴向压缩径向扩张而产生拉应力，层理面胶结程度较弱，从而形成多个平行于层理面的张拉破坏面。

(2)当θ=22.5°时，破坏模式是沿着层理面的剪切破坏和平行于轴向方向的张拉破坏。这是因为在轴向加载时，由于层理面的存在，在轴向受到压缩形成张拉破坏裂缝的同时，试样还沿着层理面滑移，形成了沿着层理面的剪切破坏。

(3)当θ=45°时，破坏模式是沿着层理面的单一剪切破坏。这是因为在轴向加载时，试样直接沿着层理面出现了滑移，形成了沿着层理面的单一剪切破坏。

(4)当θ=67.5°时，破坏模式是沿着层理面和贯穿层理面的复杂剪切破坏。这是因为在轴向加载时，试样会在两端形成大角度的初始剪切裂缝，而在这些裂缝扩展的过程中贯穿了层理面，同时由于层理面的抗剪能力较低，最终形成了沿着层理面和贯穿层理面的复杂剪切破坏。

(5)当θ=90°时，破坏模式是贯穿层理面的张拉破坏。这是因为在轴向压缩时，试样轴向变形受到抑制，试样会沿着径向方向扩张，最终在试样内部形成了贯穿层理面的张拉破坏。

2.3 页岩物理力学参数各向异性分析

页岩是沉积岩，矿物颗粒的择优取向导致页岩的物理力学性能具有明显的各向异性。各参数见表2。

表2 页岩单轴压缩试验参数Table 2 Uniaxial compression test parameters of shale

2.3.1 纵波波速各向异性分析

页岩纵波波速随层理面角度变化如图5 所示。

图5 纵波波速随层理面角度变化Fig.5 Longitudinal wave velocity changes with the bedding plane

通过对页岩纵波波速的测试，可以了解页岩波速的各向异性，为弹性波波速测试法提供可靠的保证。从图5 可以看出:当θ=0°时，纵波波速最大，达到了4 517 m/s;而当θ=90°时，纵波波速最小，仅为4 209 m/s。随着层理面角度的增加，纵波波速整体呈逐渐降低之态。

2.3.2 单轴抗压强度各向异性分析

页岩单轴抗压强度随层理面角度变化如图6 所示。

图6 单轴抗压强度随层理面角度变化Fig.6 Uniaxial compressive strength changes with the bedding plane

由图6 可知:单轴压缩时，页岩的抗压强度在θ=0°或90°时最高，在θ =45°时最低，整体呈现两边高、中间低的“U”型变化规律;受层理面的影响，页岩的抗压强度呈现出了明显的各向异性，这和破坏模式密切相关。当θ=0°或90°时，试样主要以张拉破坏为主，试样出现破坏特征以后，平行于层理面的张拉裂缝并未使试样在轴向方向失稳，试样此时仍然可以继续受压;当θ =22.5°或45°时，试样主要以剪切破坏为主，试样一旦出现破坏特征后，立即沿层理面滑移，因此所能承受的压力较低。对于θ =67.5°，虽然试样破坏时也表现出一定的剪切破坏，不过试样并不会沿着层理面滑移，因此其抗压强度介于两者之间。

2.3.3 弹性模量各向异性分析

页岩弹性模量随层理面角度变化如图7 所示。

图7 弹性模量随层理面角度变化Fig.7 Elastic modulus changes with the bedding plane

由图7 可以看出，随着层理面角度的增加，弹性模量呈现出减小的趋势，即平行于层理面方向页岩弹性模量最大，垂直于层理面方向弹性模量最小。之所以出现这样的变化趋势是因为弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，当θ =0°时，由电镜扫描图片可以看出页岩中各种矿物颗粒排列较为规则，而且在压缩过程中，由于平行于层理面方向的试样无明显的孔隙与微裂缝，使得其压缩变形比较小，因此弹性模量较大;当θ =90°时，页岩中各种矿物颗粒排列杂乱无章，孔隙和微裂缝较为发育，使得其压缩变形比较大，故弹性模量较小。

2.3.4 泊松比各向异性分析

页岩泊松比随层理面角度变化如图8 所示。

图8 泊松比随层理面角度变化Fig.8 Poisson ratio changes with the bedding plane

由图8 可知，泊松比随层理面出现了先减小后增大的趋势，这可能与层理面孔隙与微裂缝发育、轴向加载方向与层理面之间的夹角有关。当θ =0°时，层理面平行于轴向加载方向，轴向变形较小，径向变形较大，故泊松比较大;对于θ=22.5°、45°来说，由于在轴向加载时，在轴向方向试样会沿着层理面滑移，使得试样在轴向方向变形明显增大，导致其泊松比变小;而当θ=67.5°、90°时，虽然试样不会沿着层理面滑移，但是在轴向压缩过程中，由于试样中孔隙与微裂缝会受到压密，致使轴向变形稍大于在0°时，因此其泊松比介于两者之间。

3 结 论

(1)在垂直于层理面方向(θ=90°)，存在明显的孔隙和微裂缝;在平行于层理面方向(θ =0°)，各种矿物颗粒排列较为规则，孔隙和微裂缝不发育。

(2)页岩的各向异性是其本身的固有特征，在其沉积过程中就已经形成。

(3)应力－应变曲线属于Ⅱ类曲线，无明显的压密阶段，达到峰值强度后，试样突然发生破坏，脆性较强。

(4)其破坏模式主要表现为3 种:平行于层理面的张拉破坏、沿着层理面的剪切破坏、贯穿层理面的张拉破坏。

(5)页岩的纵波波速随着层理面角度的增加而减小;抗压强度在θ=0°或90°时最高，在θ=45°时最低，整体呈现两边高、中间低的“U”型变化规律;随着层理面角度的增加，弹性模量呈现出减小的趋势;泊松比随层理面出现了先减小后增大的趋势。

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