基于粒径分类的致密砂岩力学特性及破坏特征研究——以鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组为例

赵 宁，王 亮，张 磊，司马立强，刘志远，温登峰

1.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610500；2.埃因霍芬理工大学 机械工程学院，荷兰 埃因霍芬 5612AZ；3.成都理工大学 能源学院，成都 610059；4.中国石油 新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；5.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；6.西南石油大学 团委，成都 610500

近年来，随着我国经济高速发展，能源消耗急剧上升，煤、石油、天然气等常规能源供给与资源需求总量快速增长之间的矛盾日渐加深，以致密砂岩气、页岩油气、煤层气为代表的非常规能源逐渐得到重视，其拥有分布广、层系多以及储量巨大等优势[1-4]。然而，我国非常规油气具有成藏条件复杂、储层致密、渗透率低等原生特点，导致大规模开发还存在很多理论和技术上的难题[5-7]。其中，对深部地层岩体力学特性以及破坏机制的掌握，是非常规能源开发与利用的关键，也是困扰深部岩石力学发展的难题之一[8]。目前，在非常规油气开发工程中，通过压裂改造在储层中生成人工裂缝是实现效益开采的主要手段，然而，储层压裂难易、改造效果好坏与岩石类型和力学特性密切相关[9-11]。因此，开展模拟地层条件下的岩石力学试验，探索其力学特性与破坏特征具有重要意义。

目前，国内外学者针对应力下岩石的力学特性以及破坏特征，进行了大量研究工作，主要包括物理试验和数值模拟两方面。物理试验方面，前人采用单轴、三轴、拉张以及劈裂等试验方法，研究不同试验类型下岩石的强度特征和破坏机制，在不同类别载荷下岩石承受的最大应力(强度极限)以及应力和破坏之间的关系，反映了岩石承受各种载荷的特性和抵抗破坏的能力[12-14]。试验测试条件对岩石力学特性同样有影响，前人在变围压、轴压和加载路径下分析岩石的变形损伤机制以及裂缝扩展规律，认为不同的压力类型和加载路径对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征均有影响[15-17]。此外，前人也从岩石自身特性出发，探索岩石在含气、含水状态下的岩石力学特征及声发射信号变化规律，声发射活动会伴随岩石整个破坏过程，在应力峰前，声发射信号较小，而在应力峰后声发射信号出现剧增[18-20]。数值模拟方面，前人多基于经典的数值计算方法或模型对岩石力学特性和破坏规律进行研究，这些方法和模型主要包括离散元法、DDA算法、RFPA模拟法以及能量平衡模型等[21-23]。然而，上述研究无论是实际物理试验还是基于试验的数值模拟，均存在两方面不可忽略的问题：①地表条件下得到的力学特性与深部岩体高温高压状态下的力学特性不能一概而论，两者存在差异性；②地下取岩心宝贵，力学试验多为破坏性试验，一块岩样往往只能设计单一试验，近似深度旁侧取心得到的试验结果之间缺乏可对比性。

基于上述研究现状，本文以平行试验为设计思路，开展抗张强度测试以及模拟地层条件下的高温高压三轴力学试验。以国标为基准，将岩石划分为中—细粒岩屑砂岩、粗粒岩屑砂岩和巨—粗粒岩屑砂岩，分析了三类岩性的矿物成分、物性与抗张及三轴力学参数之间的关系，揭示了岩石粒径对力学特性的影响；基于粒径控制作用，总结了三类岩性在抗张和三轴力学作用下的破坏特征，旨在为鄂尔多斯盆地下石盒子组致密砂岩储层压裂改造提供参考。

1 岩样特征与试验方法

1.1 试验样品特征

试验样品均来自鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系下石盒子组，该层位为一套冲积平原—辨状河道相沉积的粗碎屑岩，与山西组河道砂体叠置，平面展布稳定，主要发育低孔低渗、特低孔特低渗致密砂岩储层[24-26]。

参考石油天然气行业标准《岩石薄片鉴定：SY/T 5368—2000》，镜下观察显示，下石盒子组致密砂岩岩石类型可分为中—细粒岩屑砂岩、粗粒岩屑砂岩和巨—粗粒岩屑砂岩(图1a-c)；肉眼观察岩样断面及表观特征，颗粒粒径由细至粗，区分明显(图1d-f)。物性测试显示，由中—细粒岩屑砂岩(平均孔隙度为4.18%，平均渗透率为0.035×10-3μm2)、粗粒岩屑砂岩(平均孔隙度为8.57%，平均渗透率为0.201×10-3μm2)至巨—粗粒岩屑砂岩(平均孔隙度11.43 %，平均渗透率为0.467×10-3μm2)，孔隙度与渗透率随岩石粒径变粗逐渐增大。岩石矿物组分以石英和黏土为主，岩石粒径变粗，石英含量增大而黏土含量减小；长石类型主要是钾长石与斜长石，其中脆性矿物含量(石英+长石+碳酸盐矿物)达到75 %(表1)。铸体薄片分析显示，岩石分选中等，磨圆类型以次棱—次圆为主，接触关系多为线接触，支撑关系为颗粒支撑；孔隙结构以次生溶孔为主，类型多为粒间溶孔、长石粒内溶孔以及岩屑粒内溶孔，孔隙连通性差且多为孤立状(图1g-i)。

表1 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组试验岩样基础参数

图1 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组砂岩岩性与孔隙类型

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

按照试验规定尺寸，将钻取的岩样加工为三部分，采用平行岩样的方式开展试验，以保证试验结果的可对比性(图2)。图2中不规则岩样A用于X衍射全岩分析，岩样B(L=5.0cm，D=2.52cm)用于物性测试和高温高压三轴力学试验，岩样C(L=2.52 cm，D=2.52 cm)则用于巴西劈裂法抗张强度试验；切割过程中，保证柱塞样两端面平整且与圆柱体轴线垂直，避免岩心柱面及两端面存在不可修复的缺角。

图2 平行岩样切割示意

1.2.2 抗张力学试验

岩石抗张强度试验采用巴西劈裂法，参考地质矿产行业标准《岩石物理力学性质试验规程 第21部分 岩石抗拉强度试验：DZ/T 0276.21—2015》。试验设备采用RTR-1000型岩石力学测试系统，探头加荷速率为0.01 mm/s，沿圆柱体径向施加相对线性载荷，使岩样内部沿径向产生拉应力而破坏，由最大承载力求得岩石抗拉强度[27]。同时，为保证岩心破坏特征的自然合理性，而不是加荷探头下压过度所致，操作过程与实时软件联动，当法向力—时间曲线出现断崖式下降时，即刻停止加荷探头加载，反向提升探头高度，保持岩心拉张破坏时的原始破坏特征并拍照记录。本次试验由笔者在“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”内完成。

1.2.3 三轴力学试验

岩石三轴力学试验参考地质矿产行业标准《岩石物理力学性质试验规程 第20部分 岩石三轴压缩强度试验：DZ/T 0276.20—2015》。试验设备采用RTR-1000型岩石力学测试系统，测试环境为模拟原始地层高温高压状态，首先将加持器内的温度升至与地层温度一致，再以0.05 MPa/s的加载速率将围压加至地层有效应力值，保持温度和围压在后续的测试中恒定(100 ℃，40 MPa)，轴向位移加载速率为0.06 mm/min。整体试验系统由计算机控制，实时监测软件记录轴向载荷、轴向变形、径向变形及应变，拍照记录三轴力学试验前后岩样照片[28]。本次试验由笔者在“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”内完成。

2 试验结果

2.1 抗张力学试验结果

观察致密砂岩试验样品典型的法向力—时间变化曲线(图3)。结果表明：①曲线初始阶段变化平缓，表明三类岩性均存在明显的内部孔隙空间压实，但不同粒径岩石在该阶段持续的时间有差异，巨—粗粒岩屑砂岩所用时间大于粗粒岩屑砂岩与中—细粒岩屑砂岩，表明岩石粒径越粗，则内部孔隙空间体积越大；②曲线斜率首次变化时刻有差异，中—细粒岩屑砂岩在45 s后曲线斜率显著增大，粗粒与巨—粗粒岩屑砂岩对应的时刻分别为30 s与40 s；③曲线爬坡阶段，岩石线弹性变形持续时间有差异，细粒径岩性弹性变形持续的时间大于粗粒径岩性；④一定时间过后岩石所承载的法向力突然降低，法向力—时间曲线形态出现断崖式变化特征，表明岩石受到的拉张应力超过其所能承受的最大载荷。

图3 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组不同岩性致密砂岩法向力随时间变化曲线

将最大法向力转换成岩石抗张强度，下石盒子组致密砂岩抗张强度的分布范围在1.12～6.45 MPa，平均值为2.46 MPa。分岩性统计分析表明，抗张强度随岩石粒径变细而呈增大的趋势，细粒径岩性抵抗拉张破坏的能力要优于粗粒径岩性。杨琦等[29]针对鄂尔多斯盆地南部长8储层进行岩石力学试验研究，测试所得砂岩岩样抗拉强度分布范围在5.23～5.68 MPa，平均值5.49 MPa，数值分布范围窄且差异性小，下石盒子组致密砂岩与之相比，抗张强度具有明显的岩石类型分异性。

2.2 三轴力学试验结果

图4为下石盒子组致密砂岩典型的应力—应变曲线图。试验结果表明：①岩样存在明显的做功硬化阶段，从微观机制分析，做功硬化阶段多由孔隙压实或内部微裂纹在应力作用下闭合所造成，三类岩性应力—应变曲线皆包含该过程，但差异性主要体现在该阶段曲线斜率上；②岩石强度峰后，应力—应变曲线迅速跌落，岩石通常为张性破坏，以粗粒径岩性为主；③当岩石强度峰后，应力—应变曲线的斜率绝对值和线弹性阶段斜率相同，岩石多为剪切破坏，以细粒径岩性为主；④当轴向应力超过峰值应力后，应力—应变曲线并未迅速跌落至某一应力值，表明岩石并未丧失全部承载能力。

图4 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组不同岩性致密砂岩三轴力学试验应力—应变曲线

分岩性统计三轴力学参数表明，岩石强度参数与弹性参数随粒径变细而逐渐增大，下石盒子组致密砂岩抗压强度分布范围为47.7～300.7 MPa，平均值147.37 MPa，弹性模量范围为(7.163～16.41)×103MPa，平均值10.687×103MPa，泊松比范围为0.123～0.244，平均值0.175。邓辉等[30]针对四川盆地须家河组致密砂岩开展三轴力学试验，得到平均抗压强度与弹性模量分别为469.62 MPa和24.34×103MPa，表明致密砂岩在三轴力学特征上存在区域差异性。

3 讨论

3.1 抗张力学参数的影响因素

从矿物成分及含量的角度分析不同粒径岩石抗张强度的差异性。据X衍射全岩分析结果，三类岩性的矿物成分主要以石英与黏土为主，两者含量达到94.3 %。石英、黏土含量与岩石抗张强度交会显示(图5a-b)，中—细粒至巨—粗粒岩屑砂岩，石英含量增加而黏土含量减小，不同粒径岩石的抗张强度随粒径变粗呈减小趋势；岩石粒径越粗则石英含量越高，岩石抵抗拉张破坏的能力降低，反之黏土含量增加，岩石抵抗拉张破坏的能力增强。

分析岩石物性与抗张强度间的关系，岩石粒径变粗，孔隙度与渗透率增大，岩石抗张强度减小。岩石粒径变粗，石英含量增加而杂基含量减少，岩石内部孔隙空间增大，岩样疏松多孔，导致岩石抵抗拉张破坏的能力降低；反之粒径变细，黏土含量增大，岩性致密，内部孔隙空间减小，岩石抵抗拉张破坏的能力增强(图5c-d)。

图5 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组致密砂岩矿物成分、物性与抗张强度交会图

3.2 岩石抗张破坏特征

观察对比岩样巴西劈裂试验前后照片，不同粒径的岩石表现出不同的破坏特征。中—细粒岩屑砂岩沿径向应力集中发生拉张破坏，岩样完全破裂，产生极少量岩石碎屑或无碎屑，岩石致密且强度大，多为脆性拉张劈裂破坏，破坏后特征为瓣状完整岩块(图6a)。粗粒岩屑砂岩同样沿径向应力集中发生拉张破环，但岩石强度稍低，表现出明显的弹塑性变形，沿径向产生明显的断口裂纹，无细小岩石碎屑掉落，岩样整体结构保持较为完整(图6b)。巨—粗粒岩屑砂岩表现出疏松且刚性低的特征，岩样因应力集中发生拉张破坏，径向断口周边强烈基质型破坏，产生大量岩石碎屑，岩样无法保持原有结构的完整性(图6c)。

不同粒径岩石的法向力—时间曲线同样存在差异性(图6d-f)。根据曲线的峰前、峰后形态可划分为3个阶段：阶段Ⅰ，探头准备(OA)，即加荷探头下探但并未实质性接触岩样，法向应力随时间不变。该阶段曲线没有实际意义且不能代表岩样的力学性质。阶段Ⅱ，破裂稳定发展至非稳定破裂(AB)，微破裂稳定发展阶段表现为弹塑性变形，岩样内部出现新的微破裂，并随应力增大而逐渐发展。本阶段上界应力(B点应力)为岩样抵抗拉张破坏的峰值应力，由图6f可知，巨—粗粒岩屑砂岩在该阶段曲线的斜率以及峰值应力小于中—细粒岩屑砂岩和粗粒岩屑砂岩。阶段Ⅲ，破坏后(B点后)，该阶段岩样内部结构完全破坏，形成宏观断裂面，岩样承载力迅速下降，三类岩性曲线表现出相似的特征。

图6 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组不同岩性致密砂岩抗张试验破坏特征测试后岩样破坏特征：a.中—细粒岩屑砂岩，2 987.5 m；b.粗粒岩屑砂岩，3 102.7 m；c.巨—粗粒岩屑砂岩，3 026.82 m

综上，石英含量高的岩石物性好，内部孔隙空间大，同时较低的黏土含量造成骨架颗粒间胶结程度差，岩石整体抵抗破坏的能力弱；反之，岩石黏土含量高而石英含量低，骨架颗粒间胶结紧密，其抵抗破坏的能力较强。中—细粒岩屑砂岩至巨—粗粒岩屑砂岩，岩石粒径变粗，巴西劈裂试验依次表现出脆性拉张破坏[31-33]、弹塑性拉张破坏[34-35]以及基质型混合拉张破坏[36]。

3.3 三轴力学参数的影响因素

岩石三轴力学特性与抗张力学特性类似，物性、矿物成分与三轴力学参数同样具有相关性。由石英、黏土与岩石抗压强度以及弹性模量的关系(图7a-d)可见，不同粒径岩石矿物成分存在差异性，其三轴力学参数同样有区分，随着岩石粒径变粗，石英含量增大，黏土含量降低，岩石的抗压强度和弹性模量减小；反之，岩石粒径越细，其抗压强度与弹性模量越大。

分析岩石物性与抗压强度、弹性模量之间的关系(图7e-h)，粗粒径岩石物性好，其抗压强度与弹性模量小；细粒径岩石物性差，其抗压强度与弹性模量大。石英含量增加而杂基含量减少，岩石内部孔隙空间增大，岩心疏松，应力作用下抵抗三轴压缩破坏的能力弱；反之，岩石粒径细，黏土含量增大且岩性致密，内部孔隙空间小，应力作用下产生弹性变形所需要的应力较大，岩石抵抗三轴压缩破坏的能力强。

图7 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组致密砂岩矿物成分含量、物性与三轴力学参数交会图

3.4 岩石三轴破坏特征

观察对比岩样三轴力学试验前后照片，不同粒径岩石类型表现出不同的破坏特征。中—细粒岩屑砂岩以剪切破坏为主，在压力载荷下产生的岩石碎屑少，裂纹类型为一条贯穿柱塞样两端面的整齐剪切断口，接近端面处见与断口走向平行的轻微劈裂破坏，岩样能够保持原有结构的完整性(图8a)。粗粒岩屑砂岩主要为贯穿型剪切破坏并伴生表面基质破坏，以剪切破坏为主，裂纹断口走向与岩心轴线斜交，伴生与轴线平行的表面劈张破坏，柱塞样能保持原有结构完整性但伴生少量的岩石碎屑(图8b)。巨—粗粒岩屑砂岩为混合破坏，柱塞样遭完全压毁，劈裂破坏贯穿岩样，肉眼未见整齐裂纹，岩心沿轴线加载方向爆发性破坏，属于整体型基质破坏，产生大量岩石碎屑，岩样不能保持原有结构的完整性(图8c)。

不同粒径岩石的应力—应变曲线特征同样存在差异性(图8d-f)。根据曲线的峰前、峰后形态可划分为4个阶段：阶段Ⅰ，孔隙、裂隙的压密(OA)，即岩样中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性形变。巨—粗粒岩屑砂岩该部分曲线的斜率明显小于中—细粒岩屑砂岩与粗粒岩屑砂岩，呈上凹型(图8f)。本阶段变形在粗粒岩石中较为明显，而坚硬少裂隙的细粒径岩石不明显，甚至不显现。阶段Ⅱ，弹性变形(AB)，该阶段曲线呈近似直线，变形量随应力增大呈正比例增加，而且表现为可恢复的弹性变形。B点的应力可视为弹性极限，岩石粒径变粗，则应力—应变曲线的弹性阶段呈减小的趋势。阶段Ⅲ，累进型破裂(BC)，该阶段应力集中效应明显，某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，又引起次薄弱部位破坏，体积压缩转为扩容，直至岩样完全破坏。本阶段上界应力称为峰值强度，岩石粒径变粗，则峰值强度呈减小的趋势。阶段Ⅳ，破坏后(C点后)，该阶段岩样内部结构完全破坏，裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面，岩样承载力随形变增大迅速下降，但并不降为0。巨—粗粒岩屑砂岩曲线C点后应力快速下降，表明其破坏后的承载力小于中—细粒岩屑砂岩与粗粒岩屑砂岩。

图8 鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组致密砂岩三轴力学试验破坏特征及轴向应力—应变曲线三轴破坏特征：a.中—细粒岩屑砂岩，3 102.7 m；b.粗粒岩屑砂岩，3 159.93 m；c.巨—粗粒岩屑砂岩，3 016.49 m

综上，黏土含量高的岩石其骨架颗粒间胶结紧密且内部孔隙空间小，岩石整体刚性好，抵抗变形能力强；反之，岩石黏土含量低，其抵抗变形能力弱。中—细粒岩屑砂岩至巨—粗粒岩屑砂岩，岩石粒径变粗，三轴压缩试验依次表现出脆性剪切破坏[37]、弹塑性剪切破坏[38]以及基质型混合剪切破坏[39]。

4 结论

(1)鄂尔多斯盆地下石盒子组致密砂岩可分为中—细粒岩屑砂岩、粗粒岩屑砂岩以及巨—粗粒岩屑砂岩。

(2)岩石粒径是控制下石盒子组致密砂岩抗张力学特性和破坏特征的关键因素。粒径越细则岩石抵抗拉张破坏的能力越强；反之，粒径变粗其抵抗拉张破坏的能力变弱。中—细粒岩屑砂岩、粗粒岩屑砂岩至巨—粗粒岩屑砂岩，抗张试验依次表现出脆性拉张破坏、弹塑性拉张破坏以及基质型混合拉张破坏。

(3)粒径是造成下石盒子组致密砂岩力学参数与破坏特征产生差异的重要原因。粒径越细则岩石抵抗弹性变形的能力越强；中—细粒岩屑砂岩、粗粒岩屑砂岩至巨—粗粒岩屑砂岩，三轴力学试验依次表现出脆性剪切破坏、弹塑性剪切破坏以及基质型混合剪切破坏。

(4)针对鄂尔多斯盆地下石盒子组致密砂岩储层，在压裂改造过程中除了考虑地应力及施工作业条件外，岩石类型差异也会导致力学性质和破坏特征的改变，这一因素应引起足够的重视。

致谢：感谢审稿专家给予本文提出的宝贵意见，感谢中国石化石油勘探开发研究院在课题研究中给予的帮助，感谢本人在荷兰埃因霍芬理工大学访学期间国家留学基金委的资助。