裂隙对页岩力学性质影响的研究

(四川大学建筑与环境学院 四川 成都 610000)

一、研究背景

随着全球能源格局的涌现和世界新兴经济体的不断升华，全球各国在能源方面的需求急剧增加，对天然气、石油和煤炭等不可再生能源的争夺也愈演愈烈。页岩气作为常规资源的有效补充能源，已经受到全球各国的关注。美国能源署(EIA)在2014年对全球范围内除美国以外的41个国家的95个页岩盆地和137个页岩气层资源进行了评估，评估的内容囊括了所选国家最丰富的页岩气资源地区，数据显示，当前全球页岩气储藏量为1012.63×1012m3(万亿立方米)，其非洲地区为188.59×1012m3，居全球第一；亚洲地区为183.81×1012m3，居全球第二；南美洲地区为180.84×1012m3，居全球第三；欧洲地区为138.53×1012m3，居全球第四。

二、研究现状

水力压裂是一种有效的页岩气藏开采技术。与传统储层不同，页岩是典型的沉积岩，含有大量天然裂缝。当形成裂缝时，可能同时发生拉伸破坏和剪切破坏。不同的破坏模式主要取决于层面和天然裂缝的力学特性，以及它们之间的关系。通常来说，这些不连续性使页岩的力学性质更加复杂。对于压裂工程应用，需要更好地了解页岩的力学特性和破坏过程。为了研究页岩的力学性质，学术界已经进行了许多实验。例如，杨志鹏[1]通过实验研究了层加载角对巴西试验破坏模式的影响。衡帅[2]进行了直接剪切试验，研究了不同层取向的层面力学性能和剪切剪切强度。Arora[3]，对页岩进行了三轴压缩试验，分析了横观各向同性弹性参数的变化规律，得到了弹性参数与层理角度的关系。基于上述研究，页岩具有明显的各向异性特征。然而，这些研究主要集中在层面的效果上。页岩含有许多天然裂缝。天然裂缝是压裂过程中形成裂缝网络的关键。有必要研究天然裂缝对页岩性质的影响。

由于在裂缝扩展过程中裂缝的几何形状总是在变化，因此裂缝发展和破坏机制的理论描述非常困难。因此，已经进行了不同的实验来研究具有裂隙的岩石的力学行为。这些裂隙用于描述预先存在的裂缝或天然裂缝。通过巴西劈裂试验，压缩试验和三点弯试验，研究了裂隙对岩石破坏的影响。Zhou[4]研究了巴西试验中单个裂缝或双裂缝的起始和扩展，并研究了圆盘尺寸和断裂角度对材料破坏强度的影响。Haeri[5]测量了预裂纹巴西圆盘的破坏强度，并研究了不同倾角的裂缝对岩石类材料的破坏过程。Wong[6]对石膏和大理石进行了一系列单轴压缩试验。然而，这些测试岩石通常是各向同性的。由于页岩是典型的各向异性岩石，上述研究无法描述页岩的裂缝发育和各向异性破坏。由于了解压裂工程中含裂隙岩页岩的力学性质和破坏过程非常重要，因此进行了一些相对实验。Mokhtari[7]进行了巴西试验，研究层理或天然裂缝对岩石破坏的影响。两种类型的不连续的影响是单独研究，而不是同时研究。罗毅[8]进行了三点弯曲试验，以研究页岩的压裂行为。通过对具有两个预制裂隙的页岩样品进行一系列的压缩，Morgan[9]还研究了裂纹萌生，传播和聚结过程。然而，制备含有裂隙的页岩样品并不容易。少量页岩样品限制了研究人员系统地考虑更多影响因素，例如裂隙与层理面之间的角度，层理面的性质，裂隙的大小。因此，裂缝性页岩的性质仍有待深入研究，特别是天然裂缝和层理面性质对破坏机制的影响。

三、数值软件的优势

作为另一种研究方法，数值模拟可以弥补实验固有得裂隙。根据弱面的不同表示方法，现有的数值方法分为连续介质方法(CMM)和离散元方法(DEMs)。与CMM相比，弱平面直观地体现在DEM中，建模过程中不需要定义复杂的本构模型，只需要定义微观参数。考虑到样品的小尺寸，颗粒流DEM，例如，颗粒流软件(PFC)被广泛用于岩石的破坏过程和微观机制的研究之中。基于PFC的优势，研究人员对页岩进行了一些模拟研究。例如，He[10]研究了巴西试验下页岩层理面角度和层理对拉伸强度和断裂模式的影响。

综上，基于实验方法对页岩力学性质的研究很多，但是主要只考虑了层理面的因素对其力学性质的影响，而考虑裂隙和层理耦合作用影响的相关实验很少。数值手段可以弥补实验的缺点对页岩开展更多方面的研究。