页岩形变及破坏特征研究进展及展望

2021-10-08杨兆中余秋爽李小刚靳文博许国瑞

科学技术与工程 2021年26期

杨兆中，余秋爽，李小刚，何睿，靳文博，许国瑞

(1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500； 2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，榆林 719000)

随着世界油气资源需求逐渐上升与常规油气资源产量的下降，非常规油气资源的开采就变得越发重要，急需致密油气、页岩油气等非常规油气资源发展为“常规”资源[1]。中国页岩气资源量十分丰富，据Energy Information Administration(EIA)评价中国页岩气可采资源量超过31.6×1012m3[2]，与美国浅层页岩相比，中国页岩气埋藏深度更深，矿物组成发生改变，各向异性特征更为明显，且中国页岩储层的主要开发方式为水平井分段压裂和体积压裂[3-4]，压裂过程中更应注意岩石性质变化。开展岩石力学实验可以为选井选层，判断压裂过程中储层的造缝能力与形成复杂缝网的能力、研究浸泡液体后储层井壁稳定性及为缝网体长效压裂理论提供指导等。总体来讲，正确的页岩特征在页岩气钻井、勘探、完井和生产中至关重要[5]。

一般的力学特征主要为形变特征与破坏特征，为此，现从室内实验、理论研究和数值模拟三个方面进行了文献调研，对页岩形变与破裂特征研究现状进行综述并提出展望，以期为今后的页岩油气开发提供研究方向。

1 室内实验研究

室内实验作为认识岩石力学性质的基础，前人已完成了大量室内物理实验并研究页岩力学参数的分布规律及影响因素，揭示了页岩的形变及破坏特征。

页岩形变特征有三种：弹性、塑性、蠕性，主要表现为弹-塑性，在某些研究中甚至表现出单一的弹性阶段而不存在明显的塑性阶段。页岩的形变特征可以通过应力-应变曲线反映，Al-Bazali等[6]对两种不同的页岩进行不同应变速率对比研究，其结果显示软页岩的塑性阶段更长，而高压实页岩的脆性更为明显。贾长贵等[7]对页岩进行单轴、三轴实验，在三轴压缩时观测到应力-应变曲线未出现压密段且应力跌落值呈U型分布。时贤等[8]对页岩进行单轴、三轴下应力-应变结果进行分析，分析得出在单轴压缩时，应力-应变曲线弹性变形阶段较长，塑性变形阶段几乎不存在；在三轴压缩时进行多级加载，轴向变形明显快于侧向应变。Yu等[9]对页岩进行单轴压缩试验，岩石主要表现为脆性破坏，屈服应力和塑性段随着围压的增加而增加。汪虎等[10]研究了焦石坝五峰—龙马溪组储层的平行层理方向的力学性质差异，得出岩样加载至应力峰值后迅速跌落，表现出典型的脆性特征。刘时雨[11]对比研究了干燥样品、饱和水样品与超临界CO2饱和样品在单/三轴压缩下的应变曲线特征，得出在单轴压缩时应变曲线表现出极大不同，而在三轴压缩时由于围压的存在使其应力应变曲线形态相似。温韬[12]通过应力-应变曲线分析了各阶段能量耗散特性。蒋长宝等[13]利用RLW-2000岩石三轴试验机进行等幅循环载荷下变形特征研究，综合讨论了等幅循环载荷下页岩应力-应变、变形模量及泊松比等特征。

岩石的破裂特征是指岩石在外力作用下表现出的强度问题，基本的破坏特征为破裂或屈服，前者为引张破裂和剪切破裂而后者表现为塑性流动。陈天宇等[14]研究发现地应力条件是影响黑色页岩破裂的主要因素，低围压下主要表现为劈裂破坏，高围压下表现为剪切破坏，这与Niandou等[15]对Tournemine页岩进行三轴循环载荷时得出的结论一致。魏元龙等[16]对含裂隙页岩进行单轴循环荷载的基础上进行三轴循环荷载，发现含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏且呈现出拉剪贯通模式。侯振坤等[17]开展了关于不同取芯夹角的单轴压缩试验，当夹角从0°逐渐增加到90°的过程中，其破坏类型主要有3种：竖向劈裂型张拉破坏、沿层理弱面的剪切滑移破坏、穿切层理面的剪切破坏。Zhong等[18]通过页岩的力学特性、裂缝和微观结构特征的研究，从微观角度解释了宏观断裂的微观机理，认为微裂纹的剪切滑移是造成了页岩的滑移破裂和剪切破裂的主要原因。张萍等[19]对不同层理页岩的破坏形态进行比对，得出其破坏形态如图1所示。夏遵义等[20]、王晶[21]对页岩进行了埋深研究影响，页岩的抗压强度变大且破裂模式由劈裂式为主转化为剪切破坏为主，这主要是由于随着围压增大页岩层理结构与微裂隙被压实，岩样所受力的影响被减弱。陈军斌等[22]研究了裂缝条数、深度、角度对页岩破裂模式的影响，对数值模拟研究具有极大的借鉴意义。

图1 不同页岩破坏形态[19]Fig.1 Different failure modes of shale[19]

除此之外，孟庆彬等[23]、刘刚等[24]研究了岩石尺寸效应对应力-应变特征的影响，得出岩样的峰值应变随岩样尺寸的增加而减小且峰值应变与应变速率呈对数关系。时贤等[25]、陈平等[26]利用纳米压痕实验研究载荷-位移曲线关系，研究得出其加载曲线主要有弹性变形、弹塑性变形阶段、塑性变形3个阶段组成，这与前人研究结论一致。梁利喜等[27]、白冰等[28]、刘洪等[29]、李卉等[30]、AL-Bazali[31]、Ryback等[32]分别研究了不同溶液体系下，导致页岩弱化的机制可能是浸泡时不同效应综合反应的结果。

综上，页岩的室内实验研究主要是从层理方向、取芯角度、循环载荷、液体浸泡、温度等方面开展的，且随着新技术的发展，如微米压痕可以更好地对岩石进行微观层面的研究。室内实验研究已较为成熟，但还存在如下几方面问题：在岩芯的提取和制备过程中，随着应力、温度以及岩体内部流体和水分含量的变化，导致样品受损微裂纹等，致使后续获得参数存在误差；储层具有非均质性，单纯选取一些岩心很难具有代表性意义且数据离散性较大；室内岩石力学实验考虑因素不全面，无法模拟真实的地层情况，尽管部分学者开展了真三轴研究，例如，侯振坤等[33]利用真三轴装置对页岩进行裂缝延伸规律研究但没有考虑温度的影响；蒋长宝等[34]利用真三轴装置研究中间主应力对页岩力学影响；马啸等[35]研制了高温真三轴试验系统并对高温下花岗岩进行实验验证其结果比常规三轴更具可靠性。但总体而言真三轴岩石力学资料相对缺乏，今后应加强真三轴状态下页岩的岩石力学性质研究。

2 理论研究

理论研究对整个岩石力学研究起承上启下的作用，既是对岩石宏观物理现象的理论描述，也是数值分析过程中表达岩石响应的关键。本构模型是反应岩石的应力或应力速率与其应变或应变速率的关系，主要通过弹塑性理论、流变理论及损伤理论进行推导或依据室内实验对原有模型进行修正、改进。破裂准则是表征岩石破坏条件的应力-应变函数，可以对岩石破裂变化进行预测，对于页岩的破裂准则的研究主要基于单一弱面准则及横观各向同性建立的准则。

2.1 本构关系

本构关系可以反映岩石材料的性质，由于页岩存在大量的微裂隙，所以利用损伤理论研究页岩本构模型是最有效的方法之一。

自1958年Kachanov[36]和Dougill等[37]提出了损伤力学并且将其应用到了岩石方面，中外学者就对其进行了大量研究。Zheng等[38]基于Mogi-Coulomb准则的损伤阈值建立了考虑中间主应力的影响的统计损伤本构模型，更好地确定破坏过程中渗透率突变对应的临界破坏强度。Li等[39]从细观尺度上的代表性体积元(RVE)概念出发，基于统计和连续损伤理论及有限元方法，研究了一种模拟岩石跨尺度渐进破坏过程的统计细观损伤方法。Yan等[40]针对经水基、油基钻井液作用后产生不同程度软化的层理页岩，建立了损伤本构模型，并用来预测井壁的稳定性。腾俊洋等[41]分别研究了页岩含水率与层理对页岩强度损伤机制，同时建立了综合考虑以上两因素的本构模型。孙清佩等[42]在参考了Li等[37]的理念后建立了综合考虑层理机构与载荷的页岩损伤本构模型，得出该模型在低应变率水平易出现应力-应变回弹，更适用于中高应变率水平，其对比图如图2所示。李育[43]通过有限元软件对页岩的微观缺陷进行分析，分别建立单、三轴载荷下考虑宏细观缺陷的页岩损伤本构模型，并对模型中的参数进行敏感性分析。姚欢迎等[44]基于页岩声发射特征得出受载岩石损伤变化性质，并基于声发射实验建立了更加合理的单轴损伤本构模型。

图2 不同应变率下模型验证[42]Fig.2 Model validation at different strain rates[42]

2.2 强度理念

岩石在变形过程中，当应力及应变增大到一定程度时，便发生破裂，用于表征破坏条件的应力-应变函数即为强度破坏准则，常用的准则有Mohr-Coulomb准则[45]及改进的Mogi-Coulomb准则[46]、Hoere-Brown准则及改进的准则[47]、Griffith准则等[48]。目前，针对页岩使用最为广泛的准则是基于Mohr-Coulomb准则推导出的单一弱面准则和基于页岩横观各向同性建立的强度准则。

Jaeger[49]首先采用单一弱面准则对井壁稳定性进行分析。梁利喜等[50]针对页岩地层的弱面结构、水化和渗流作用建立起井壁分析模型，得出在考虑弱面结构后计算结果与实际更为接近。夏宏泉等[51]基于单一弱面剪切准则对泥页岩进行研究，建立起适用于计算井壁稳定性的模型。然而单一弱面准则忽略了页岩裂缝发育易形成多弱面相交的特点，故研究学者建立起基于多弱面条件下的破裂准则。丁乙等[52]基于M-C准则建立起多弱面强度理论，并得出随着弱面数与岩石强度呈正相关，超过5组弱面后，岩石强度完全受弱面结构控制。

王蕉等[53]基于Christensen[54]提出的适用于均质、各向同性材料提出的破坏准则与弹性应变能的函数相协调的思想，提出了一个适用于脆性横观各向同性材料的破坏准则并于Tsai-Wu准则进行比对，得出其结果较为相似。丁巍等[55]对王蕉等[53]提出的破裂准则模型做出验证，最后得出该准则能较好预测压缩强度变化规律，其缺点在于没有经验系数的修正，个别层理角度的预测值存在误差。

综上，前人主要根据损伤理论与层理结构相结合建立本构方程，但在个别层理方向及不同应变率下拟合存在误差，需要学者们进一步开展研究，如研究不同层理矿物组成差别对模型的影响等。对于页岩破裂准则的研究主要是从单一弱面准则和考虑横观各向同性两个方面进行研究，针对不同的储层特征运用不同的破裂准则。页岩破裂准则理论研究已取得一些研究进展，但前人多从页岩构造进行研究，而忽略了水化作用、温度作用下的破裂准则的影响，今后应加强研究钻井液、完井液、压裂液等外来液体侵入所带来的水化和温度问题。

3 数值模拟研究

目前用于岩体的数值模拟方法有：有限元法(软件如RFPA、EBE-PCG等)、离散元法(软件如PFC、3DEC)、非连续变形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)法、快速拉格朗日分析(fast lagrangian analysis of continuum，FLAC)、无网格法、数值流形法(numerical manifold method，NMM)、数字图像分析方法。由于页岩内部存在大量微孔隙、微裂缝，可以认为页岩是节理类岩体，常用的数模方法为有限元法与离散介质法。

蒋中明等[56]结合ANSYS软件和FLAC3D软件对复杂裂隙分布岩体的力学性质进行了单轴压缩研究，研究得出不同尺度下应力应变曲线变化规律基本相同，随着荷载的增加，试样由弹性变形转为弹塑性变形。谢云跃等[57]采用有限元软件ABAQUS对完整岩石和含不同倾角的软弱夹层的岩石在单轴和双轴压缩下进行了数值模拟，分析了应力—应变曲线特征。叶功勤等[58]研究发现，颗粒单元体配比对岩石的力学特征有明显的影响，岩石中的大颗粒含量越多，峰值强度增加，且不同颗粒配比的岩石压缩和拉伸曲线在弹性和塑性变形阶段呈现出高度的一致性。

Bhaaddini等[59]运用PFC方法研究了节理几何参数对岩体破裂机制、单轴抗压强度和变形模量的影响。Chong等[60]采用PFC方法模拟了预置多条非渗透微裂隙的巴西圆盘的压缩破坏过程，讨论了裂隙方向、裂隙力学性质以及岩石脆性对页岩破坏模式的影响。卞康等[61]基于PFC方法模拟了不同吸水时间下页岩岩样的卸荷力学特性和破坏特征，并与室内实验做出对比，二者有较好的相关性。Liu等[62]通过RFPA数模得出页岩的破坏特征与层理倾角表现出明显的相关性，当倾角小于45°时，虽然页岩主要表现为剪切破坏，破坏面不沿层理面扩展。当倾角大于60°时，页岩主要发生劈裂破坏，破坏面沿层理方向扩展，不同层理倾角β下的破裂形态如图3所示。

图3 不同层理倾角β下页岩破裂形态[62]Fig.3 Shale fracture morphology under different bedding dip angles β[62]

总体来讲，页岩形变和破裂模式方面的数值模拟研究发展较快，因为数值模拟可以直观地模拟裂纹扩展及岩石破坏过程，非常适合从细观力学角度研究岩体力学行为。但还是存在如下问题：岩石的非均质性，尽管通过分布函数或材料定义其非均质性，与真实的岩石还存在些许误差；数值模拟输入为细观参数，因此在参数输入过程中存在着较大的人为性，易导致计算结果与试验出现较大的偏差；数值模拟过程中如何考虑尺寸效应与物理实验的参数对应，也是目前存在的问题。