不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究*

高 阳 郭 鹏 李 晓 李映艳 徐东升 邹正银 覃建华 石国新 李守定

(①中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，克拉玛依 834000，中国)

(②中国石油新疆油田分公司，克拉玛依 834000，中国)

(③中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地球工程重点实验室，北京 100029，中国)

0 引 言

四川盆地是我国主要的非常规油气产区之一，储层压裂改造是实现油气商业化开发的重要技术。然而，由于大规模注水压裂，储层应力状态发生改变诱发地震问题得到广泛关注(Hu et al.，2018；Yang et al.，2021)。此外，深井废水回注、CO2地质封存同样面临诱发地震的风险(Lei et al.，2019；Tan et al.，2020)。如何通过微震监测结果对储层状态进行预测，避免储层产生高能级微震和盖层发生破坏，已成为当前重要的研究课题。室内岩石破裂与地震活动具有一定相似性，研究应力作用下不同类型储层岩石变形破裂过程与声发射活动规律是揭示岩石破裂演化的重要手段(汪虎等，2016；王伟超等，2016；Yang et al.，2020a；Zuo et al.，2020)。页岩、致密砂岩和白云岩是典型的非常规油气储层岩石，受岩石结构影响，不同类型岩石的力学特性和破裂形态存在明显差异(邓华锋等，2018；刘汉香等，2020；孟令超等，2020)。页岩层理发育，力学强度呈现各向异性特征，国内外学者针对不同层理角度岩体的力学特性开展了大量研究(胡政等，2015；Chandler et al.，2016；郭松峰等，2016；汪虎等，2016；蒲超等，2017；Yang et al.，2020a；Zuo et al.，2020)。汪虎等(2016)对不同层理角度页岩力学特性、强度规律和破坏特征进行分析，认为页岩在单轴压缩条件下主要发生脆性破坏，破裂形式为劈裂破坏和局部剪切破坏，层理是造成页岩强度各向异性和破裂差异的重要因素。Chandler et al.(2016)测量了麦肯页岩的断裂韧性，结果表明层理角度显著影响抗拉强度，当裂缝垂直于层理扩展时抗拉强度值较高，裂缝平行于层理扩展时得到的抗拉强度较低。Zuo et al.(2020)采用页岩三点弯试验来分析层理对裂缝扩展的影响，结果表明当裂缝扩展方向与层理夹角由0°增大到90°，断裂韧度、能量和裂缝路径复杂度明显增大。Yang et al.(2020a)开展了页岩岩芯三轴压缩试验，指出层理角度和围压对页岩力学特性、破裂模式和脆性具有重要影响。张文等(2021)研究了温度对页岩三轴压缩力学特性的影响规律，认为当温度低于150℃时，强度劣化主要和黏聚力降低有关，当温度超过150℃时，页岩的内摩擦角会降低。上述研究表明，页岩层理是影响强度和裂缝形态的关键因素，随着层理角度变化，页岩变形破裂过程呈现显著差异。

与页岩相比，砂岩和白云岩孔隙度相对较高，层理欠发育，三轴压缩变形和破坏呈现不同特征。Roshan et al.(2018)分析了砂岩微观结构对力学特性的影响规律，发现砂岩的抗压强度、弹性模量和泊松比受孔隙度和黏土矿物共同影响。Yang et al.(2020b)对砂岩压缩破裂过程声发射、力学特性和裂缝形态进行研究，发现围压对砂岩应力-应变曲线和裂缝扩展特征具有明显影响，围压较小时，裂缝以张拉裂缝为主，围压较高时形成一条剪切主裂缝。声发射计数结果表明，砂岩在三轴压缩破裂前不明显，声发射活动主要集中在破裂瞬间。邓华锋等(2018)开展各向异性砂岩力学特性和破坏模式研究，发现随着围压升高，砂岩的屈服阶段逐渐明显，塑性变形增大，脆性破坏特征减弱，裂缝形态由拉张裂缝向剪切裂缝转变。刘运思等(2019)采用声发射技术研究了不同层理角度砂岩的单轴压缩和巴西劈裂力学特性和破裂规律，发现随着层理角度增大，砂岩单轴抗压强度呈现典型的U型特征，抗拉强度呈增大趋势。当层理角度为30°、45°和60°时，压缩过程中，裂缝主要沿着层理发生剪切破坏，峰值应力越高，声发射能量越大。刘汉香等(2020)研究了白云岩单轴压缩条件下力学特性和破裂演化声发射活动规律，发现白云岩变形破裂过程可分为5个阶段，声发射活动与白云岩变形破裂较为一致，在加载中后期裂缝非稳定扩展阶段，声发射振铃计数和能量明显增加，在应力屈服点附近声发射活动出现显著变化，可作为白云岩破坏前兆信息。Liu et al.(2021)研究了循环荷载作用下白云岩变形破裂规律，认为循环荷载会明显降低白云岩强度，通过对应力-应变曲线滞回环、累积残余应变、动弹性模量等参数进行分析，揭示了白云岩在不同水平循环应力作用下变形规律，发现当轴向应力达到单轴抗压强度的60%时，残余应变会迅速增加，产生不可恢复的微破裂，循环加卸载形成的主裂缝断面比单调加载更为粗糙。

上述学者针对页岩、砂岩和白云岩力学特性和破裂特征进行深入分析，明确了岩石结构对强度和变形的影响规律，而对于不同类型储层岩石裂缝起裂、扩展、贯穿破坏与声发射活动规律的对比研究相对较少。页岩是四川盆地典型的烃源岩，同时也是封盖层，致密砂岩和白云岩是重要的油气储层，研究这3种典型储层岩石的力学特性和变形破裂声发射活动对于四川盆地非常规油气开采具有重要意义。储层岩石脆性破坏容易诱发微震活动，因此，本文选取页岩、致密砂岩和白云岩3种典型储层岩石，开展不同类型储层岩石试样三轴压缩声发射试验，分析层理结构对岩石变形、破裂和声发射特征的影响规律，对比不同类型储层岩石变形破坏过程中声发射事件空间演化规律。研究结果有助于深化不同类型储层岩石的变形破裂与声发射活动规律的认识，可为四川盆地非常规油气开采和CO2地质封存提供一定的科学依据。

1 试验方法

1.1 样品制备

选取四川盆地东北部龙马溪组页岩、须家河组致密砂岩和长兴组白云岩3类典型储层岩石，将新鲜露头岩块加工成直径50mm，长度为100mm圆柱试样，开展三轴压缩力学特性试验。页岩、致密砂岩和白云岩样品原始照片如图1所示，其中：层理水平时定义为层理角度为0°，层理竖直时定义为层理角度为90°。页岩层理角度分别为0°、30°、60°、90°，致密砂岩和白云岩层理角度为0°。试样尺寸及端面平整度符合《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)(中华人民共和国国家标准编写组，2013)的相关要求。

1.2 试验方法

采用中国科学院地质与地球物理研究所研发的常规岩石力学试验系统开展3种岩性试样三轴压缩声发射试验，岩石力学试验机、声发射监测仪和探头布置如图2所示。

对不同加载阶段岩石试样应力-应变曲线和声发射能量、幅值和事件空间演化特征进行分析。采用450KeV工业CT对压裂后试样进行扫描，将断层图像导入VGStudioMax软件进行三维重构，获取裂缝空间几何形态，与声发射定位结果进行对比验证。具体方案如下：首先研究不同岩性试样变形破裂和力学特性的影响规律，对应力-应变曲线进行分段，分析不同阶段声发射活动特征；然后对比不同岩性试样三维裂缝形态，分析岩性对裂缝空间扩展的影响规律；最后对压缩破裂过程的声发射活动规律进行分析，对比不同受压阶段声发射能量、幅值和事件演化特征。试验方案及结果如表1所示。

表1 试验方案及结果Table 1 Experimental scheme and results

2 不同岩性试样强度与变形特征

2.1 页岩三轴压缩强度与变形特征

由表1可知，页岩单轴抗压强度、弹性模量及泊松比均呈现显著的各向异性特征，层理角度为60°时抗压强度最低，层理角度为90°时抗压强度最高。为研究页岩受压变形破坏特性，选择围压为25MPa时不同层理角度页岩应力-应变曲线、声发射撞击幅值和能量进行分析。如图3所示，将页岩三轴压缩应力-应变曲线分为5个阶段：压密阶段(OA)，弹性阶段(AB)，微裂缝稳定扩展阶段(BC)，裂缝非稳定扩展阶段(CD)和峰后阶段(DE)。其中：B点为起裂应力点，C点为扩容应力点，D点为峰值应力点。

对于层理角度为0°的页岩试样(图3a)，弹性阶段没有明显的声发射活动。当轴向应力达到149.2MPa，微裂缝起裂，此阶段(BC)声发射幅值和能量较弹性阶段略有增加，占总数值比例分别为9.0%、0.8%。当轴向应力达到217.0MPa时，试样产生扩容，裂缝开始非稳定扩展，此阶段(CD)声发射幅值和能量有明显的增加，占总数值比例分别为41.7%、40.0%。当轴向应力达到222.9MPa时，页岩试样加载进入峰后阶段，此时试样仍能保持一定的应力平衡。在轴向应力由峰值下降至180.2MPa过程中，声发射幅值增长幅度较大，占总数值比例为82.4%，能量增长幅度较小，占总数值比例为48.1%，此后试样发生破坏。微裂缝起裂应力和扩容应力与峰值应力比值分别为0.69、0.97。

对于层理角度为30°页岩试样(图3b)，弹性阶段声发射幅值有小幅度增长，能量不明显，可能与试样端面摩擦有关。当轴向应力达到138MPa时，进入微裂纹稳定扩展阶段，此阶段声发射活动有所增加，幅值和能量占总数值比例15.4%、0.9%。当轴向应力达到200.1MPa时，进入裂缝非稳定扩展阶段，声发射活动进一步增强，此阶段幅值和能量占总数值比例分别45.0%、47.4%。当轴向应力达到209.3MPa时，进入峰后阶段，声发射幅值和能量迅速增大，试样发生破坏。微裂缝起裂应力和扩容应力与峰值应力之比分别为0.66、0.96。

当层理角度为60°时，页岩试样三轴压缩强度明显降低，峰值应力仅为133.7MPa(图3c)。加载初期，试样处于压密和弹性变形阶段，声发射幅值和能量较小。当轴向应力达到102.5MPa时，进入微裂缝稳定扩展阶段，此阶段声发射幅值平缓增长，占总数值比例为10.7%，能量不明显。当轴向应力达到129.5MPa时，进入裂缝非稳定扩展阶段，声发射能量和幅值加速增长，占总数值比例达到61.4%、51.8%。进入峰后阶段后，当轴向应力逐渐降低至105.3MPa时，声发射活动达到峰值，此后不再显著。微裂缝起裂应力和扩容应力与峰值应力之比分别为0.76、0.97。

对于层理角度为90°的页岩试样(图3d)，三轴压缩呈现明显的脆性破坏特征。在压密阶段和弹性变形阶段，声发射幅值和能量较低。当轴向应力达到180.3MPa时，页岩加载开始进入微裂缝稳定扩展阶段，声发射幅值平缓增长，占总数值比例为8.4%，能量不明显。当轴向应力达到279.2MPa时，页岩试样发生扩容，声发射幅值和能量有所增大，占总数值比例分别为35.4%、16.2%，表明裂缝迅速扩展。当轴向应力达到297.2MPa时，页岩试样发生破坏，应力迅速降低，伴随着大量的声发射活动。微裂缝起裂应力、扩容应力与峰值应力之比分别为0.61、0.94。

2.2 致密砂岩三轴压缩强度与变形特征

对于致密砂岩试样，在压密阶段和弹性变形阶段，声发射幅值和能量较页岩试样相对偏高，如图4所示。当轴向应力达到166.5MPa时，砂岩加载开始进入微裂缝稳定扩展阶段，声发射幅值增长轻微加快，占总数值比例为17.6%，能量无明显变化。当轴向应力达到210.3MPa时，砂岩试样发生扩容，声发射幅值增长显著，能量变化不明显，占总数值比例分别为37.8%、51.2%，表明裂缝迅速扩展。当轴向应力达到269.7MPa时，砂岩试样发生破坏，应力平缓降低，表现出较好的塑性特征，声发射活动较少，声发射幅值和能量持续增长。进入峰后阶段后，当轴向应力逐渐降低至252.7MPa时，声发射活动达到峰值，此后不再显著。微裂缝起裂应力、扩容应力与峰值应力之比分别为0.62、0.78。

2.3 白云岩三轴压缩强度与变形特征

对于白云岩试样，在压密阶段和弹性变形阶段，声发射幅值和能量较低且无明显增长，如图5所示。当轴向应力达到250.3MPa时，白云岩加载开始进入微裂缝稳定扩展阶段，声发射幅值和能量轻微增长，占总数值比例分别为1.28%、0.91%。当轴向应力达到280.1MPa时，白云岩试样发生扩容，声发射幅值和能量增长轻微加快，占总数值比例分别为5.67%、2.36%，表明裂缝扩展缓慢。当轴向应力达到354.4MPa时，白云岩试样发生破坏，应力迅速降低，伴随着声发射幅值和能量急剧增长。进入峰后阶段后，当轴向应力逐渐降低至175MPa时，声发射活动达到峰值，此后不再显著。微裂缝起裂应力、扩容应力与峰值应力之比分别为0.71、0.80。

综上所述，3种不同类型储层岩石的压缩强度及变形特征表明，页岩的变形破坏呈现出典型的脆性特征，力学各向异性显著，扩容应力与峰值应力比约为0.94～0.97。致密砂岩呈现出典型的塑性破坏特征，扩容应力与峰值应力比约为0.78。白云岩的脆性及塑性特征介于页岩和砂岩之间，扩容应力与峰值应力比约为0.80。

3 不同类型储层岩石破裂特征分析

试验后对不同岩性试样表面裂缝进行素描，采用中国科学院地质与地球物理研究所研发的450KeV工业CT对破裂后试样进行扫描，重构和提取了空间裂缝形态如图6所示。

对于页岩试样，当层理角度为0°时，试样压缩破裂呈现复杂特征，试样表面可观测到大量羽状裂缝，下部有层理裂缝形成，表明剪切破坏是主导作用，在试样中上部形成两条较长的陡倾裂缝，表现出明显的拉张破裂特征。三维裂缝重构结果表明圆柱页岩试样内部形成一条倾角约为60°的主裂缝，一条竖向裂缝和两条层理裂缝，试样下部靠近边界处较为破碎，破裂类型为剪切-拉张复合型。当层理角度为30°时，试样压缩破裂形成斜向主裂缝，表现出明显的剪切破坏特征。当层理角度为60°时，试样压缩破裂特征较为单一，主要沿层理发生剪切破坏。当层理角度为90°时，试样主要沿层理破坏形成陡倾裂缝，裂缝扩展过程中在试样中上部、中下部有轻微偏转，表现出明显的拉张破裂特征。对于致密砂岩试样，只在试样中上部形成单一斜向裂缝，表现出明显的剪切破坏特征。对于白云岩试样，试样压缩破裂特征较页岩简单而较砂岩复杂，试样两侧形成两条剪切裂缝，主裂缝自试样左上端向右下端延伸，次级裂缝自试样中下部向右上部边缘延伸，裂缝倾角约为60°，同样表现出明显的剪切破坏特征。

综上所述，由不同类型储层岩石三轴压缩破坏特征可见，致密砂岩和白云岩试样压缩破裂特征较简单，试样主要发生剪切破坏，主裂缝斜向扩展并贯穿试样。相比之下，不同层理角度页岩试样压缩破裂特征呈现显著差异：层理角度为0°时，试样破裂形态复杂，微裂缝数量较多，表现出拉张-剪切复合破坏特征；层理角度为30°和60°时，试样主要发生剪切破坏，微裂缝数量较少；当层理角度为90°时，裂缝类型以拉张型为主。表明层理结构对于复杂微裂缝的形成具有重要影响。

4 不同岩性试样破裂过程声发射分析

通过对页岩、致密砂岩和白云岩及试样三轴压缩试验进行声发射监测，获得试样在变形破裂过程中声发射能量、幅值和事件空间演化特征，如图7所示。不同加载阶段的声发射事件采用不同颜色的球体表示，能量越大，球体直径越大。

对于层理角度为0°的页岩试样，压密和弹性阶段未见明显声发射活动。当轴向应力达到149.2MPa，声发射能量和幅值开始增加。随着轴向应力增大，声发射幅值和能量加速增长。当轴向应力达到217.0MPa时，试样发生扩容，进入裂缝非稳定扩展阶段。在扩容点附近声发射事件能量、幅值和撞击能量均显著增大。当轴向应力达到222.9MPa时，幅值达到峰值，产生大量声发射事件。此后，当峰值应力下降至180.2MPa时，声发射能量迅速达到峰值，试样发生破坏，自此声发射事件能量变化不再显著。上述分析表明，对于层理角度为0°的页岩试样，声发射事件主要集中在扩容应力点和峰值应力点附近，高能量声发射事件主要集中在试样中下部，空间定位结果表明，在扩容应力点附近，声发射事件较为分散，主破裂发生时，事件在试样左侧聚集，与剪切裂缝分布较为一致。

对于致密砂岩试样，弹性变形阶段的未见明显声发射活动。当轴向应力达到166.5MPa时，试样开始进入微裂缝稳定扩展阶段，声发射幅值和事件能量不明显。当轴向应力达到210.3MPa时，试样发生扩容，声发射幅值稍有增加。当轴向应力达到269.7MPa时，试样发生破坏，声发射幅值、能量和事件数量迅速增加，此后声发射活动不再显著。由此可见，致密砂岩试样的声发射活动主要集中在破裂瞬间，声发射事件空间定位结果与主裂缝方位较为一致，高能量事件主要集中在中上部(图7b)，裂缝由试样中下部起裂，斜向上扩展。

对于白云岩试样，在压密阶段和弹性变形阶段，声发射幅值、事件能量和撞击能量均不明显。当轴向应力达到250.3MPa时，进入微裂缝稳定扩展阶段，声发射幅值和撞击能量显著增大，并伴随着较多的声发射事件。当轴向应力达到280.1MPa时，试样发生扩容，声发射幅值、事件能量和撞击能量微增。当轴向应力达到354.4MPa时，声发射幅值达到峰值，声发射撞击能量明显增大，同时伴随着大量密集的声发射事件。进入峰后阶段后，当轴向应力逐渐降低至175MPa过程中，持续产生大量的声发射活动，在290.4MPa时声发射幅值达到峰值，声发射撞击能量和幅值均有增大。由此可见，白云岩试样在弹性阶段后便出现大量声发射事件；随着轴向荷载增大，微裂缝不断扩展，声发射活动持续增强；峰后阶段，声发射能量、幅值达到峰值后逐渐减弱。

5 结 论

本文通过开展页岩、致密砂岩和白云岩试样三轴压缩试验，结合声发射监测和CT扫描技术重构三维裂缝形态，研究了不同类型储层岩石三轴压缩强度及变形特征、压缩破裂形态及声发射活动规律。主要结论如下：

(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高，其次为白云岩和致密砂岩。页岩呈现明显的脆性破裂特征，致密砂岩呈现出明显的塑性破坏特征，白云岩的脆性及塑性特征介于页岩和致密砂岩之间。

(2)页岩压缩破裂呈现复杂特征，当层理角度为0°时，微裂缝数量较多，表现为剪切-拉张复合型破裂特征；当层理角度为30°和60°时，试样主要发生剪切破坏；当层理角度为90°时，试样呈现明显的拉张破坏特征。致密砂岩压缩破裂形态单一，表现出明显的剪切破坏特征。白云岩同样发生剪切破坏，裂缝数量介于页岩和致密砂岩之间，表明层理结构对于复杂缝网的形成具有重要影响。

(3)声发射能量、幅值和空间定位结果表明，层理角度为0°时，页岩的声发射活动主要集中在扩容应力点和峰值应力点附近；致密砂岩声发射事件主要集中在破裂瞬间；白云岩在弹性阶段后便产生大量声发射事件，随着轴向荷载增大，微裂缝不断扩展，声发射活动持续增强；峰后阶段，声发射能量、幅值达到峰值后逐渐减弱。试验结果证实三轴应力下页岩呈典型的脆性破坏，而白云岩声发射活动明显强于页岩和致密砂岩，在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施，避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。