CCNBD试样测试页岩Ⅰ型断裂韧性

梁利喜，何顺平，张安东

(西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室，四川成都610500)

CCNBD试样测试页岩Ⅰ型断裂韧性

梁利喜*，何顺平，张安东

(西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室，四川成都610500)

断裂韧性对页岩压裂作业及裂缝形态有很大的影响。采用1995年ISRM推荐的人字形切槽巴西圆盘（CCNBD）试件对龙马溪组和五峰组页岩进行I型断裂韧性测试，得出其断裂韧性值在0.8～1.2之间，通过岩芯照片结合实验数据分析其破坏断裂机制。并对两层组页岩进行了X射线衍射全岩分析，分析了页岩组分与断裂韧性间关系。对比了龙马溪组两种不同尺寸岩样的断裂韧性，分析其尺寸效应。

页岩；断裂韧性；尺寸效应；人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)

1　概述

我国具有丰富的页岩气资源，加大页岩气的开发对缓解能源供应压力、改善能源结构有很大助益[1]。页岩气储层具有低渗致密、天然裂缝发育等特征，在开发过程中需进行大量的水力压裂。压裂过程中的水力裂缝的起裂和延伸受页岩自身的断裂韧性影响，当裂缝尖端应力强度因子达到或者超过页岩的断裂韧性值时，裂缝开始扩展[2]。在3种断裂中，岩石类材料主要以Ⅰ型断裂即张开型断裂为主，研究页岩Ⅰ型断裂韧性对定量评价页岩储层可压裂性有重要作用。

近些年来，国内外研究学者针对静态或准静态I型断裂韧性测试作了大量研究。目前用于测试岩石的断裂韧性的测试方法主要有三点弯曲法、圆盘法、短棒法、水压致裂法等[3-6]。针对岩石试样中不易预制尖锐裂纹，裂纹长度也难以测量，因此不能直接套用比较成熟的用于金属材料的测试规范，而必须发展特殊的试件和方法。同时，国际上的岩石断裂专家共同提出用V形切口试样进行Ⅰ型断裂试验[7]。它的优点在于试件不需要预裂，也不需要测定裂纹长度。1988年，IS⁃RM推荐了用V型切口的三点弯曲圆棒试样（CB）和短棒试样（SR）来测试岩石的断裂韧性[8]。1995年，人字形切槽巴西圆盘试样（CCNBD）成为最新的ISRM推荐采用的用于测试岩石断裂韧性的试样[9]。巴西圆盘试样在很多方面优于1988年建议方法中的CB和SR试样：它体积小，有较高的临界载荷，试样加载方便，对试验设备要求不高，允许较大的试样加工误差，实验程序及过程简单。

本文即采用易于加工和测试的人字形切槽巴西圆盘试样，该试样能充分考虑页岩的特性，人字形切口可以确保裂纹从尖端部位开裂引发Ⅰ形裂纹，且有利于裂纹的稳定扩展，可用于较精确地测试岩石的断裂韧性。文中针对不同直径、不同地区的页岩岩芯，测试其Ⅰ型断裂韧性值KIC，分析该页岩的断裂力学特性，讨论了该试样类型断裂机制，分析了断裂韧性值与对应组分间关系。

2　样品与实验方法

2.1样品

页岩岩芯取自四川盆地的下志留统龙马溪组（S1l）和上奥陶统五峰组（O3w）露头岩芯，其中龙马溪组页岩采自于四川长宁，五峰组页岩采自于重庆。岩芯钻取方向为垂直于层理方向。在制作试样进行测试前，先采集两层组部分岩芯，将其研磨成粒径100目左右的粉末进行X-射线衍射（XRD）测量。测量采用PANa⁃lytical公司的X-射线衍射仪测量，其结果如图1所示。

从图1中可以看到，两层组岩石的主要矿物成分及含量差别不大，其主要矿物成分均为石英和粘土矿物，其中石英含量均超过60%。此外从图1中还可以看出，龙马溪组的粘土矿物较低，而五峰组的石英含量较低。

2.2实验方法

将两层组页岩制作成试样进行测试，试样直径为50mm，其中龙马溪组页岩6块，五峰组岩芯4块。考虑到圆盘试样存在尺寸效应，对龙马溪组页岩再制作3块直径为75mm的圆盘试样进行测试。试样的直径与厚度比例为5∶2，均按照ISRM建议的岩石断裂韧性测试方法[4]的尺寸要求加工（图2）。

图1　页岩中矿物百分含量

图2　CCNBD试样

将试样图中所有的几何参数转化为关于岩样半径和直径的无量纲参数。换算关系如下：

为了保证测试结果有效，所选参数必须满足下列限制：

实验采用的试验机型号是MTS伺服刚性控制试验机，其刚度满足岩石断裂韧性要求。试样的加载方式是沿平行于人字形切槽方向在两端施加集中载荷（图2），采用恒定位移控制对试样加载，载荷速度通过加载点位移速度进行控制，位移加载速率为0.5mm/min，利用试验机配套的伺服系统软件自动采集不同时间点的载荷、变形等数据。实验中采用较低的加载速率既有利于裂纹沿预制裂纹面稳定扩展，又利于裂纹尖端非线性断裂过程区的充分发展，且有利于测得更有效的断裂韧性值。

根据ISRM建议测试方法，CCNBD试样断裂韧性计算公式为：

式中：KIC——Ⅰ型断裂韧性值，MPa·m1/2；

Pmax——最大破坏载荷值，kN；

D——试样直径，cm；

B——试样厚度，cm；

Y∗min——试样的无量纲临界应力强度因子，仅由岩样的几何参数α0、α1和αB决定。

3　结果和讨论

3.1断裂韧性测试结果

吴礼舟、王启智[10]等对ISRM建议测试方法应力强度因子重新标定，给出了Y*min值与α0、αB的关系，通过线性插值查表获得Y*min，则可以由测试获得Pmax由式(1)计算KIC。其计算结果如图3所示。

图3　页岩Ⅰ型断裂韧性

3.2CCNBD断裂机制分析

实验时，沿中心预制裂缝方向在两端施加集中载荷，轴向压缩变形会产生相应的横向拉伸变形，在韧带区逐渐积聚弹性应变能。应变能进而转化为横向拉张应力作用，该拉张应力就是韧带区局部应力分布中的最大主应力。由于尖端应力集中，最大主应力并非均匀分布，而是在人字形裂纹尖端部位达到最大的拉张应力。当人字形裂纹端部拉张应力达到岩石最大抗拉强度时，造成裂纹起裂。裂纹起裂后弹性应变能迅速释放造成裂纹面急剧扩展，导致岩石破裂。实验过程中记录下试件的载荷—位移曲线如图4所示。

图4　巴西圆盘试件载荷—位移曲线

从图4的载荷—位移曲线中观察，大致可以将其分为3个阶段。OA段，人字形切槽韧带尖端微裂纹产生及其非线性变形阶段，这一段曲线较长，表明CCNBD试样人字形韧带尖端有较长的非线性断裂过程区；AB段基本呈线性发展，表示微裂纹线弹性扩展变形阶段，该段曲线反映了微裂纹稳定扩展成核的过程；BC段表示主裂纹急剧扩展贯通直至破碎阶段，实验时伴随有大的破碎声响，部分碎块崩裂，反映了过程区非线性扩展后的主裂纹贯通失稳过程。曲线表现出破坏前岩芯成弹性变形，峰值强度后急剧降低的脆性特征。

有别于其他岩石，页岩层理发育、内部含大量微裂缝，其非均质性强。从实验结果可以看出，同一地区页岩，在尺寸大小相同、预制裂纹长度差异不大的情况下，KIC值也会有一定的偏差，其断裂韧性值在0.8～1.2之间。从照片上显示，裂缝大致沿预制裂缝方向发展，但起裂方向往往与预制裂纹方向有一定的夹角，分析其原因，可能在加工裂纹时对岩样有所破坏，使预制裂纹周围各向异性增强；同时，采用压致拉裂的方式加载，在产生横向拉应力的同时，也可能在面内产生一定的剪切作用；页岩层理发育，也会对裂缝延伸产生影响。在这些因素的共同作用下，可能会使裂纹发生一定的偏移。在裂纹扩展到近端部时，部分岩样上出现裂纹分叉现象，裂纹继续扩展直至破坏。在裂纹扩展同时对比照片及其对应断裂韧性值，发生裂纹分叉岩样其断裂韧性值较高。其原因在与裂纹在分叉过程中会消耗更多的断裂能。此外，在裂纹扩展到端部时，部分岩样上产生了次生裂纹。这是由于CCNBD试样的主裂纹面迅速扩展贯通破裂后为韧带附近区域卸荷拉张应力作用提供了空间，峰值载荷后轴向压应力骤降转而集中在主裂纹面附近区域，这些因素最终导致端部次生裂纹。断裂的裂缝面弯曲、粗糙，从人字形尖端至下，断面粗糙度呈增大的趋势，也反映出页岩的非均质性强。

3.3页岩矿物组成与断裂韧性关系

分析图1中两地区页岩矿物组分：两地区岩石的主要矿物成分及含量差别不大，这也进一步佐证了两地区页岩断裂韧性值相近的结果。两地区石英含量高，从组成上也可认为两地区岩石的脆性很强，这与试验中岩芯发生脆性断裂一致；相比较而言，龙马溪组的粘土矿物较低，石英含量较高。根据ISRM提供的不同矿物的断裂韧性数据[11]可知:石英的断裂韧性为0.24 MPa·m1/2，方解石的断裂韧性为0.79MPa·m1/2，伊利石、蒙脱石和绿泥石的断裂韧性为2.19MPa·m1/2。即可以认为石英含量越高，则其断裂韧性应越小；粘土矿物含量越高，断裂韧性值越大。对比两地区直径50mm圆盘岩样的平均断裂韧性，龙马溪组页岩断裂韧性均值为0.99MPa·m1/2，五峰组页岩断裂韧性为0.97MPa·m1/2，龙马溪组页岩断裂韧性比五峰组高。其原因主要为两地区石英含量差异不大，而对比两地区总矿物组成中的粘土矿物含量，五峰组要高出10%以上，随粘土矿物含量的增加，页岩的断裂韧性值下降。这一特性与石林[12]的研究结果相一致。

3.4尺寸效应

通过圆盘法测试岩样断裂韧性时，试样尺寸大小不同，其断裂韧性值也会有所差别，即存在尺寸效应。徐世烺[13]等采用三点弯曲试样对不同尺寸的混凝土进行断裂韧性测试，其测试试样体积增大27倍，KIC增大了47.54%。吴礼舟[14]等用直径77mm和108mm大理石CCNBD试件进行测试，其KIC均值增大了8%。页岩具有高度的非均质性和各向异性，当试样尺寸变化时，其断裂韧性值也会有所变化。本文中通过对龙马溪组2种不同尺寸岩样（较小圆盘大小为直径50mm、厚度20mm，较大圆盘大小为直径75mm、厚度30mm）进行测试，对比其断裂韧性值。从整体结果上看，大尺寸岩样测试的断裂韧性值较集中，实验后无明显的裂缝分叉、端部次生裂缝等现象。因此，通过观察照片，选出断裂时破坏情况较一致的岩芯进行对比，其断裂韧性值如下。其中，S1l-1、S1l-4、S1l-6为较小圆盘，S1l-12、S1l-13、S1l-17为较大圆盘。

图5　不同尺寸岩样断裂韧性值

从图5可以看出：断裂韧性值随试件尺寸增大而略有增加，计算2种大小试样断裂韧性平均值，50mm× 20mm试样为0.87，75mm×30mm试样为0.93，大尺寸试样与小尺寸试样相比，其断裂韧性值增幅为6.8%。与三点弯曲试样相比，其增幅较小，即CCNBD试样尺寸效应比三点弯曲试样小；与其他岩石试样相比增幅较小，可能是随尺寸的增大，试样中包含的微裂缝及试样层理面也相应增加，从而使裂缝更易扩展。

4　结论

用人字形切槽巴西圆盘法测试分析页岩I型断裂韧性，并与其组分对比，可以得出以下结论：

（1）人字形切槽巴西圆盘法能较好地测试页岩断裂韧性，通过测试，两层组页岩断裂韧性大致分布在0.8～1.2之间，且两层组断裂韧性均值相近；

（2）页岩断裂形式较复杂，裂缝扩展过程中会表现出裂缝方向偏斜、裂缝分叉、在端部出现次生裂纹等情况，断面粗糙；

（3）通过全岩分析，两层组矿物组成相近，其断裂韧性值也相近。从成分上来说，石英含量越高，粘土含量越低，断裂韧性值越小；

（4）页岩断裂韧性也具有尺寸效应，随试样尺寸增大，岩样断裂韧性有所增大，但增幅较小。

[1]杨列林.页岩气对国际能源品需求的影响及我国的发展对策[J].中国流通经济，2014(4)：117-121.

[2]KAHRAMAN S，ALTINDAG R.A Brittleness Index to Esti⁃mate Fracture Toughness[J].International Journal of Rock Me⁃chanics and Mining Sciences，2004，41(2)：343-348.

[3]王启福，鲜学福.岩石三点弯曲圆梁断裂韧性KIC的测试研究[J].重庆大学学报，1992,15（5）：101-106.

[4]张盛，王启智.用5种圆盘试件的劈裂试验确定岩石断裂韧性[J].岩土力学，2009，30（1）：12-18.

[5]杜新民，关振铎.山形切口短棒法测定KIC值的现状[J].无机材料学报，1988，3（2）：161-168.

[6]陈治喜，陈勉，金衍，等.水压致裂法测定岩石的断裂韧性[J].岩石力学与工程学报，1997，16（1）：59-64.

[7]张盛，李小军，李大伟.岩石Ⅰ型断裂韧度测试技术和理论研究综述[J].河南理工大学学报：自然科学版，2009，28（1）：33-38.

[8]ISRM(Ouehterofny F—Coordinator),Suggested Method for De⁃termining the Fracture Toughness of Rock，Int.J.Rock mech.Sci. &Gocmoch.Abstr.1988,25(2):71-96.

[9]ISRM Testing Commission，(Coordinator:Fowell R J).Suggest⁃ed Method for Determining Mode I Fracture Toughness Using Cracked Chevron Notched Brazilian disc(CCNBD)Specimens [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci⁃ences,1995,32:57-64.

[10] 吴礼舟，贾学明，王启智.CCNBD断裂韧度试样的SIF新公式和在尺度律分析中的应用[J].岩土力学，2004，25(2): 233-237.

[11]廖东良，肖立志，张元春.基于矿物组分与断裂韧度的页岩地层脆性指数评价模型[J].石油钻探技术，2014，42(4):37-42.

[12]石林.泥岩断裂韧性的测试及其与力学参数的关系[C]//中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集，2002：114-116.

[13]徐世烺，赵国藩，刘毅，等.混凝土断裂韧度的尺寸效应[J].工业建筑，1991(12):21-25.

[14]吴礼舟，王启智，贾学明.用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧性及其尺度律[J].岩石力学与工程学报，2004，23(3)：383-390.

TE14

A

1004-5716(2016)11-0041-04

2015-12-31

2016-01-08

梁利喜（1976-），男（汉族），河南新乡人，讲师，现从事井眼稳定技术、岩石物理与岩石力学、石油工程测井的教学与研究工作。