页岩纹层与破裂方式实验研究

唐洪明 ，唐 园，郑马嘉，2，刘 佳，边滢滢

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司气田开发管理部，四川 成都 610051；3.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610051；4.中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552

引言

川南地区龙马溪组页岩纹层发育，页岩气资源丰富，但矿物组成复杂，储层非均质性强[1-3]。针对页岩气储层的破裂方式，Griffith 认为岩石中的裂纹尖端存在应力集中现象，库伦-纳维尔发现岩石的正-剪应力组合达到最不利条件产生破裂[4]。页岩受力产生的张性破裂面光滑，而剪切破裂面粗糙有压痕，与应力方向有夹角[5-7]。单轴实验下，页岩破裂产生的裂缝扩展演化表明多裂纹相互作用导致岩体宏观力学性质连续降低[8-11]，影响因素主要有岩石种类、纹层倾角、矿物组成、胶结状况及加载方向等[12-15]。对于不同取芯角度的页岩在三轴压缩下破裂方式也有多种分类[16-20]，主要包括围压、页岩种类、取芯深度、纹层倾角、矿物组成及地应力等[21-25]，且有证据表明，宏观破裂是由微裂隙张性扩展和剪切滑移破裂引起的[26-29]。

国内外众多专家学者通过室内单轴压缩、三轴压缩实验等对世界各地页岩的破裂方式取得了较多研究成果，但很少学者借助CT 切片扫描技术对页岩不同纹层发育程度及矿物组成影响破裂方式等方面进行研究，破裂方式与纹层产状的认识不够明确。因此，在单轴、三轴压缩下研究不同纹层倾角的页岩矿物组成与纹层对破裂方式的影响可为后期储层压裂改造提供理论依据。

1 实验样品制备及方法

实验所用岩芯取自川南地区X101 井龙马溪组灰黑色页岩，纹层发育，6 组岩样共24 块。按照实验制作方法，将页岩加工成标准圆柱试样，实验试件尺寸为φ25 mm×50 mm。钻取6 个垂直纹层方向（90°）岩样做单轴压缩实验，钻取垂直纹层方向（90°）、斜交纹层（45°）及平行纹层方向（0°）的3个方向18 个岩样做常规三轴压缩实验（图1），实验仪器为美国RTR–1000 型三轴岩石力学伺服测试系统，实验中保持围压31.56 MPa。各组页岩岩样的矿物组成见表1，压应力方向如图2 所示（图中，σ1--主压应力，MPa；σ2，σ3--围压，MPa，σ2=σ3）。

图1 页岩取芯示意图Fig.1 Shale coring diagram

表1 岩样矿物成分表Tab.1 Mineral composition of rock samples

图2 单轴压缩和三轴压缩时的压应力方向示意图Fig.2 Diagram of compressive stress direction under uniaxial compression and triaxial compression

2 纹层发育特征

X101 井龙马溪组页岩的测井响应及纹层特征见图3。X101 井龙马溪组页岩为深水陆棚相沉积，整体伽马值较高，部分层段数值变化大，可能是由于水平纹层发育导致纵向非均质性变强。

图3 X101 井龙马溪组页岩的测井响应及纹层特征Fig.3 Logging response and lamina characteristics of Longmaxi Formation shale in Well X101

根据岩芯测井解释结果与铸体薄片观察可以看出，井深3 470.70 m 的1 号岩样测井伽马值为180 API，井深3 488.07 m 的3 号岩样伽马值高达200 API，可能含较多生物化石，有机质含量高达4.14%，且黏土矿物含量为30.40%，泥质含量较高。其他样品的伽马值为70～140 API，略微偏低，发育硅质纹层（图3）。页岩中矿物相对含量的不同使发育的纹层表现为颜色深浅不同[13]，石英含量越高，纹层越表现为亮色，而有机质与黏土矿物含量越多，纹层越为暗色，强度越低。

页岩纹层整体较为发育，纹层发育密度平均为2～3 条/cm，可见黏土质与硅质、粉砂质纹层等相间分布。随深度增加，黏土矿物含量呈逐渐减小的趋势，石英含量逐渐增加。井深3 495.65 m 的5 号岩样中清晰可见厚约1 cm 的亮色硅质纹层段，石英含量高达71.00%，且含有放射虫化石，岩样力学性质较强。岩芯观察发现，硅质纹层、粉砂质纹层及钙质纹层大量发育，部分层段为大段的黏土质与粉砂质互层的页岩，分段性特征明显。纹层发育密度与厚度等在各层段上不尽相同，纵向非均质性较强。纹层宏观表现为较规则或平行，但矿物颗粒等结构使纹层面存在微小起伏。

3 单轴压缩下页岩的破裂方式

实验所取页岩为主压应力垂直纹层方向（90°），实验后力学参数测试结果见表2，页岩在单轴压缩实验中以张性破坏为主[28]。岩样受力形成贯穿纹层的张拉劈裂破坏，沿主压应力方向产生竖向宏观裂缝，主缝延伸方向与纹层的夹角在80°～90°（图4）。

表2 单轴压缩实验后力学参数测试结果Tab.2 Test results of mechanical parameters after uniaxial compression test

图4 垂直纹层的岩样单轴压缩实验CT 图Fig.4 CT images of rock samples under uniaxial compression with vertical lamina

根据线弹性断裂机制，如果形状和方向等条件相同，岩石中最长且与主压应力平行的裂缝将沿应力方向最先贯穿形成一条主缝[4]。暗层与亮层之间通过主缝相互连通，但纹层的非均质性使得数条高角度主缝错断拐向，沿水平纹层薄弱面产生破裂。图4中可见次级裂缝集中发育在主缝边缘，并且沿着矿物颗粒间或层间等强度低的部分扩展，表现为亮色纹层（红色箭头）处主缝具有一定的宽度，缝面较为平整，次级裂缝几乎不发育。暗色纹层基质结构相对疏松（绿色箭头），B、C 横截面表明暗色纹层面相对亮色部分来说，次级裂缝更为发育，与主缝近平行，与纹层呈75°～80°斜交（图5）。主缝是颗粒间或者层间等薄弱面的破裂密集发育并扩展贯通的宏观表现。

图5 垂直纹层的岩样单轴压缩后的破裂方式Fig.5 Fracture mode of rock samples under uniaxial compression with vertical lamina

从图6 所示的单轴压缩下矿物组分与力学参数的关系可以看出，单轴压缩下的抗压强度、杨氏模量均与石英含量的正相关性较弱，而与黏土矿物呈显著负相关，相关系数大于0.5，表明石英含量越多，岩样越不容易发生破坏，力学性质越强。泊松比与矿物组分无明显相关性，可能与内部天然孔缝闭合及破裂后岩样体积扩张有关。

图6 单轴压缩下矿物组分与力学参数的关系Fig.6 Relationship between mineral composition and mechanical parameters under uniaxial compression

井深3 495.65 m 的5 号岩样完全破碎且抗压强度高达335.61 MPa，杨氏模量66.14 GPa，泊松比0.202，原因在于石英含量较高，富含放射虫化石等硅质矿物。但岩样纹层发育密度较弱，边界模糊，颗粒排列杂乱，空间上矿物组成及其相对含量的叠置关系形成纹层，可见一段厚度较大的亮色纹层以及少量黏土质--粉砂质互层（图3），因而力学性质较强。由于石英等矿物增强了纹层间固结作用，岩样受到较大应力时才会产生破裂，破裂面沿水平纹层等弱面结构发育，无侧向压力下的横向变形相对纵向较大，产生的破裂面数量较多。岩样内部起裂的多处破裂面应力相互干扰，宏观表现为破坏时抗压强度偏高，最终破裂形成多个块体。

4 三轴压缩实验研究

4.1 纹层倾角对破裂方式的影响

垂直纹层的岩样受力方向见图2，形成剪切破坏（图7），同时产生了与纹层平行的拉张破裂面。岩样形成的剪切主缝与纹层高角度斜交（夹角为60°～65°），或近垂直纹层。

图7 垂直纹层的岩样三轴压缩实验CT 图Fig.7 CT images of rock samples under triaxial compression with vertical lamina

图8 为45°斜交纹层的岩样三轴压缩实验CT图，可以看出，岩样以剪切滑移破坏为主，形成的一条主缝在剪切力作用下基本顺纹层面扩展，或与纹层呈10°～45°的低角度斜交，多发生在基质矿物暗色纹层，同时，矿物组成和排列方式等非均质性也会导致破裂时产生的裂缝转折拐向不同。

图8 45°斜交纹层的岩样三轴压缩实验CT 图Fig.8 CT images of rock samples with 45° oblique lamina under triaxial compression

平行纹层的岩样破裂方式主要为共轭剪切破坏，产生的两个剪切破裂面呈“X”形相交，两破裂面所夹锐角的角平分线平行于纹层方向，主缝与纹层的夹角为18°～25°（图9）。在围压作用下，岩样侧向体积发生收缩，随主压应力施加的过程中，由于矿物等内部结构非均质性较强，强度高的石英颗粒等与黏土基质部分会发生交错形变，导致近垂直于纹层方向发生破裂。

图9 平行纹层的岩样三轴压缩实验CT 图Fig.9 CT images of rock samples with parallel lamina under triaxial compression

4.2 矿物组分与破裂方式的关系

垂直纹层岩样的抗压强度与石英呈明显正相关，与黏土矿物呈显著负相关关系。对于平行纹层方向的岩样，其相关性较垂直纹层方向的岩样差。45°斜交纹层岩样的抗压强度最低，与矿物成分无明显相关性，这是因为此时由纹层面控制岩样的破裂方式。

平行纹层的岩样杨氏模量最高，垂直纹层方向杨氏模量最低，杨氏模量均表现出与石英含量呈显著正相关，与黏土矿物呈显著负相关。泊松比与矿物组分的相关性不明显，与纹层发育程度及岩样受力时内部压实作用有关（图10，图11）。

图10 三轴压缩下不同纹层倾角的岩样石英含量与力学参数关系Fig.10 Relationship between quartz content and mechanical parameters of rock samples with different lamina dip angles under triaxial compression

图11 三轴压缩下不同纹层倾角的岩样黏土矿物含量与力学参数关系Fig.11 Relationship between clay mineral content and mechanical parameters of rock samples with different lamina dip angles under triaxial compression

垂直纹层的岩样破裂形成1～2 条剪切主缝，次级裂缝沿黏土矿物暗色纹层间等薄弱面扩展，方向与主缝近平行（图12）。图7 中6 个岩样的轴向截面A 中暗色纹层处的次级裂缝扩展延伸方向与纹层呈45°～65°高角度斜交或近垂直纹层，亮色纹层（红色箭头）处强度较高，B、C 横截面也表明亮色纹层仅可见一条主缝，垂直纹层的岩样杨氏模量相对低，泊松比也较低，可能是由于矿物颗粒排列杂乱无章，受主压应力和围压作用，纹层间的固结作用增强，岩样纵向压缩变形比较大。

图12 不同纹层倾角的岩样三轴压缩后的破裂方式Fig.12 Fracture modes of rock samples with different lamina dip angles after triaxial compression

井深3 495.65 m 的5 号岩样抗压强度相对其他倾角或垂直纹层的其他岩样明显偏高，主要是因为石英含量高，组成的亮色纹层段具有一定厚度，集中分布在岩样内部，与暗色纹层相间分布的特征不明显，亮色纹层面两侧发生了硬脆性矿物与微结构相对疏松黏土矿物基质相互挤压的细微变化，薄片中可见的大量硅质矿物及放射虫化石增强了岩样内部的承载能力，岩石纵向收缩，表现为抗压强度的较高值。由于矿物相对含量的不同形成了大段的暗色或亮色纹层，纹层单层厚度较大，在实验中出现了异常的力学参数结果，主要受纹层发育程度的影响，最终表现为页岩破裂方式的不同。

由图8 可以看出，45°斜交纹层岩样受剪切滑移作用产生了几乎沿纹层面的一条破裂面，抵抗变形破坏的能力较弱，6 号岩样完全顺暗色纹层面破裂，纹层面内聚力小，相对其他纹层倾角的横向变形较大，因而泊松比偏高，达0.211。岩样横截面中可见亮色纹层几乎不发育次级裂缝，但在暗色纹层处十分发育，与纹层为15°～40°低角度斜交（图12）。

平行纹层岩样的杨氏模量最高，整体泊松比也相对较高。但6 号岩样泊松比明显低于其他纹层倾角，原因在于其石英含量为84.6%，硅质纹层连续性较差，导致纵向压缩变形偏大，是纹层间次级裂缝扩展的结果（图10，图11）。由于σ1与纹层方向的共同作用，岩样在表面某处应力集中点发生破裂，沿着黏土矿物等软弱面结构伸展，分别向两个方向呈“X”形延伸，形成共轭剪切破裂，破裂面边缘集中发育的大量次级裂缝沿暗色纹层扩展。图9中B、C 横截面图中同样可以看到两主缝近于平行，暗色纹层的次级裂缝较发育，与纹层近似平行，或呈25°～30°低角度斜交。

5 结论

（1）次级裂缝扩展集中于主缝边缘，方向与主缝平行或呈5°～30°的低角度斜交，暗色纹层处的次级裂缝相对较发育，主缝是颗粒间或层间等强度低处的次级裂缝密集发育并扩展贯通的宏观表现。页岩纹层形成主要是由于空间上矿物组成及其相对含量的叠置关系，硅质纹层发育单层厚度大将增强岩石力学性质。

（2）单轴压缩下，垂直纹层的岩样形成张拉劈裂破坏，主缝与纹层呈80°～90°高角度斜交，次级裂缝与纹层的夹角在75°～80°。抗压强度、杨氏模量与石英含量的正相关性较弱，而与黏土矿物呈显著负相关，泊松比与矿物组分无明显相关性。

（3）三轴压缩实验中，垂直纹层的岩样为剪切破坏，杨氏模量最低，主缝与纹层的夹角为60°～65°，次级裂缝扩展方向与纹层的夹角多为45°～65°；45°斜交纹层的岩样以沿纹层面的剪切滑移破坏为主，抗压强度最低，主缝与纹层以10°～45°低角度斜交，次级裂缝与纹层夹角为15°～40°；平行纹层的岩样为共轭剪切破坏，杨氏模量最高，两破裂面所夹锐角平分线平行于纹层方向，两主缝与纹层的夹角在18°～25°，次级裂缝与纹层近平行，或25°～30°斜交。

（4）垂直纹层岩样的抗压强度与石英呈显著正相关，与黏土矿物呈显著负相关；平行纹层方向的岩样抗压强度与石英、黏土矿物的相关性较弱；45°斜交纹层样品的抗压强度与矿物成分无相关性。不同纹层倾角岩样的杨氏模量均表现出与石英含量呈显著正相关，与黏土矿物呈显著负相关；泊松比与矿物组分的相关性不明显，这与纹层发育程度及岩样受力时内部压实作用有关。