鐘建華，劉圣鑫，馬寅生，尹成明，劉成林，李宗星，劉選，李勇（. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所；. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所；4. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

頁(yè)巖宏觀破裂模式與微觀破裂機(jī)理

鐘建華1, 2，劉圣鑫1，馬寅生3, 4，尹成明3, 4，劉成林3, 4，李宗星3，劉選1，李勇1
（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所；3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所；4. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：通過(guò)對(duì)頁(yè)巖組構(gòu)特征、力學(xué)特征、裂紋和斷口微觀形貌特征的研究，揭示了頁(yè)巖宏觀破裂的微觀機(jī)制、控制 因素及其破裂模式。研究表明，頁(yè)巖的宏觀破裂受到組構(gòu)特征、取心方向、圍壓等多種因素的影響，由頁(yè)巖內(nèi)部發(fā) 育的孔隙和微裂隙擴(kuò)展、合并、貫通而形成。宏觀破裂模式包括剪切型破裂、拉張型破裂和滑移型破裂，微觀上， 微裂隙破裂主要包括剪切滑移型（Ⅱ型）、拉張型（Ⅰ型）兩種類型。本質(zhì)上，頁(yè)巖的剪切破裂和滑移破裂都是由于 微裂隙的剪切滑移破裂引起的，只因受頁(yè)巖結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)出不同的破裂模式；拉張型破裂是由于微裂隙的張性擴(kuò) 展引起的。另外，宏觀破裂過(guò)程中，微裂隙的剪切和拉張兩種破裂共存，但對(duì)宏觀破裂貢獻(xiàn)大小不同。最后建立了 頁(yè)巖的破裂模式，即剪切型破裂、拉張型破裂和滑移型破裂，并從微觀上解釋了宏觀破裂的微觀機(jī)理。圖14表1參24

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖；宏觀破裂模式；微觀破裂機(jī)理；微裂隙；剪切破裂；拉張破裂

0　引言

中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，已引起能源界的廣泛關(guān)注[1-2]。但頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層具有極低的孔隙度和滲透率，商業(yè)開(kāi)采需大規(guī)模水力壓裂改造。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖（或?qū)訝顜r石）的力學(xué)特征、破裂模式等已做了大量研究[3-9]，但對(duì)頁(yè)巖破裂的微觀機(jī)理研究不足。而頁(yè)巖破裂的微觀機(jī)理研究對(duì)壓裂改造改善頁(yè)巖的滲透性、次生裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)、分析弱面作用以及提高采收率等均具有重要意義。1920年，Griffith依據(jù)能量理論，首先指出固體的宏觀破裂是從固體內(nèi)部存在的微裂隙處開(kāi)始的[10]。謝和平等[11]對(duì)巖石斷裂的微觀機(jī)理進(jìn)行分析后指出，巖石的最終宏觀斷裂與其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)及微缺陷緊密相關(guān)。要徹底查明巖石的斷裂機(jī)理，就必須從微觀角度研究巖石的斷裂過(guò)程。另外，頁(yè)巖是一種具有紋層與頁(yè)理構(gòu)造的細(xì)粒沉積巖，這種特殊組構(gòu)必然會(huì)對(duì)巖石的破裂產(chǎn)生一定影響。Nasseri等[12]對(duì)頁(yè)巖和板巖進(jìn)行了三軸實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為力加載方向和圍壓是使巖石按不同模式破壞的主要影響因素。本文基于對(duì)渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙河街組沙三、沙四段富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖組構(gòu)特征、力學(xué)特征的研究，分析頁(yè)巖宏觀破裂的微觀機(jī)理，并建立頁(yè)巖的破裂模式。

1　實(shí)驗(yàn)方法及樣品制備

采用頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)觀察、全應(yīng)力應(yīng)變和聲波測(cè)量等多種實(shí)驗(yàn)方法研究頁(yè)巖組構(gòu)特征和力學(xué)特征。為研究結(jié)構(gòu)面對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響，設(shè)置結(jié)構(gòu)面與軸心或主應(yīng)力的夾角（β）分別為0°、45°、90°（見(jiàn)圖1）。力學(xué)測(cè)試前，將取自井下的巖心加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，規(guī)格為Φ25 mm×50 mm。樣品取自濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷同一地區(qū)11口井古近系沙河街組沙三、沙四段，埋深2 274.70～3 341.90 m，多數(shù)樣品層理非常發(fā)育，為黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，只有3塊頁(yè)巖樣品層理不很發(fā)育，為黑色泥頁(yè)巖。制作頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試巖樣23塊，均表觀完整，其中9塊肉眼可見(jiàn)裂縫。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)（華東）SAM-1000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫（20 ℃）。室內(nèi)三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。為觀察頁(yè)巖組構(gòu)特征，對(duì)樣品進(jìn)行氬離子拋光處理，采用掃描電鏡觀察頁(yè)巖垂直和平行層理面方向礦物組分的粒徑、空間分布及內(nèi)部孔隙特征。為觀察頁(yè)巖破裂后斷口和裂紋的形貌特征，在不受任何外力的情況下，采用中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院重質(zhì)油實(shí)驗(yàn)室S-4800冷場(chǎng)掃描電鏡對(duì)頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖1　層理面取心示意圖（σ1—最大主應(yīng)力；σ2—中間應(yīng)力；σ3—最小應(yīng)力）

表1　頁(yè)巖三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2　頁(yè)巖的組構(gòu)特征

頁(yè)巖是一種具有紋層與頁(yè)理構(gòu)造的細(xì)粒（粒徑一般小于0.004 mm）沉積巖，具有特殊的組構(gòu)特征。沿垂直層理方向（見(jiàn)圖2a）可以看出，巖樣的紋層非常發(fā)育，不同紋層所含礦物成分差別較大。顏色較深的紋層含更多的黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，顏色較淺的紋層含更多的碎屑礦物。軟弱面的厚度和連續(xù)性也有較大差別，有的厚度較大，且連續(xù)性好，有的則較差。由氬離子拋光后樣品掃描電鏡圖像可以看出（見(jiàn)圖2b，2c），頁(yè)巖中的鱗片狀黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的排列方向與層理方向基本平行（見(jiàn)圖2b、2c中箭頭方向），多呈狹條狀。剛性顆粒如石英、碳酸鹽等含量較少，呈基底式膠結(jié)。剛性顆粒間的基底式膠結(jié)使黏土礦物與顆粒之間的連接薄弱，微觀不連續(xù)性突出。黏土礦物的片理中（見(jiàn)圖2d）存在不規(guī)則的碎屑顆粒和自生礦物，會(huì)降低軟弱面的抗壓抗拉強(qiáng)度，頁(yè)巖受力容易沿著層理方向開(kāi)裂。宏觀上，層理面是一個(gè)比較規(guī)則的“弱面”，但微觀上（微—納米級(jí)），層理面并不是一個(gè)規(guī)則的面，在顯微鏡下呈很明顯的凹凸不平狀（見(jiàn)圖2e），黏土礦物和有機(jī)質(zhì)也不再呈條帶狀，多為形狀不規(guī)則或橢圓狀顆粒（見(jiàn)圖2f、2g）。

圖2　頁(yè)巖組構(gòu)分析照片

在掃描電鏡下，觀察到大量的微米、納米級(jí)孔隙和微裂隙。由圖2b、2c可見(jiàn)，沿垂直層理方向，頁(yè)巖中的孔隙如粒間孔、粒內(nèi)孔、微裂隙多呈條帶狀，長(zhǎng)軸方向大體與頁(yè)理面一致。但仍有大量的孔隙和裂隙受到顆粒界面和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，呈不規(guī)則展布。沿層理方向，孔隙形狀不規(guī)則，多為圓孔狀、橢圓狀等（見(jiàn)圖2f、2g、2h）。

綜上，頁(yè)巖的顯著特點(diǎn)是：①內(nèi)部存在由大量黏土礦物組成的層理、片理、微裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面；②微—納米級(jí)孔隙、微裂隙非常發(fā)育，從統(tǒng)計(jì)角度看，孔隙的長(zhǎng)軸方向多與層理方向一致或夾角很小。頁(yè)巖在縱向和橫向上存在明顯的各向異性，不是理想的連續(xù)介質(zhì)。

3　頁(yè)巖的宏觀破裂及其力學(xué)特征

3.1 頁(yè)巖的破裂模式

頁(yè)巖的破裂模式受到多種因素的影響，如：取心方向、圍壓、孔隙的發(fā)育特征等。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，頁(yè)巖破裂模式主要表現(xiàn)為3種（見(jiàn)圖3）：①拉張型破裂（樣品F5、F8、F4-1、F2-1、W1）；②剪切破裂（樣品F3-1、F3-2、F2-2、F4-2、F6）；③滑移破裂（樣品F7-2、Z1）。

圖3　三軸壓縮實(shí)驗(yàn)后樣品照片（樣品規(guī)格為Φ25 mm×50 mm）

根據(jù)孫廣忠[13]巖體結(jié)構(gòu)控制論，巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體變形、破裂及其力學(xué)性質(zhì)，巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖體力學(xué)的控制作用遠(yuǎn)大于巖石材料。盡管頁(yè)巖巖塊與巖體不能完全等同，但兩者有相似之處，即在頁(yè)巖中也存在軟弱結(jié)構(gòu)面。盡管頁(yè)巖中軟弱面的厚度、連續(xù)性較差，但對(duì)頁(yè)巖的破裂同樣具有控制作用[7,12]。由圖3可以看出，當(dāng)β分別為0°、10°、45°時(shí)，主要發(fā)生張破裂和滑移破裂。裂紋的擴(kuò)展演化主要是在軟弱面中發(fā)生，且多發(fā)生在結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)處，貫通裂紋一般存在于厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中。由圖3e可見(jiàn)，從W1樣品外表看裂紋擴(kuò)展演化并沒(méi)有沿著軟弱面發(fā)展，但觀察破裂面時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于層理面凹凸不平，樣品實(shí)際上還是沿軟弱面破裂，表明巖石內(nèi)部構(gòu)造特征影響巖石的破裂模式。當(dāng)β為90°時(shí)，在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，樣品發(fā)生剪切破裂，貫通裂紋的方向與最大主應(yīng)力的方向基本一致。

在取樣過(guò)程中，由于頁(yè)巖層理之間的黏聚力小，容易沿層理面斷裂。圖3中黃色虛線表示制樣過(guò)程中形成的斷層面。巖石在外力作用下，貫通裂紋可能沿著斷層面摩擦滑動(dòng)，也可能穿過(guò)斷層面破裂，這取決于斷層面與最大主應(yīng)力之間的夾角大小和加載條件[14]。當(dāng)斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為90°時(shí)（如F2-2、F6、F4-2樣品），裂紋穿過(guò)了斷層面破裂；當(dāng)夾角為45°時(shí)（F7-2樣品），裂紋沿著斷層面摩擦滑動(dòng)，而沒(méi)有穿過(guò)斷層面破裂。巖樣F3-2中有兩條斷層面，上部斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為90°，裂紋穿過(guò)斷層面，下部斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為30°，裂紋沒(méi)有穿過(guò)斷層面，而是沿著斷層面發(fā)生了摩擦滑動(dòng)。

3.2 頁(yè)巖的力學(xué)特征分析

頁(yè)巖的力學(xué)破裂整體上具有顯著的脆性斷裂特征，受取心方向、圍壓等多種因素影響，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的各向異性。

3.2.1 取心方向?qū)αW(xué)特征的影響

取心方向?qū)?yè)巖的力學(xué)特征有明顯影響[7,15]。圖4、圖5分別給出了不同圍壓條件下（40 MPa、30 MPa、20 MPa）頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量與β的關(guān)系，可以看出，夾角相同時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加，彈性模量隨圍壓的增加而增加；同一圍壓條件下，隨著夾角的增大，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度先減小后增大；彈性模量隨夾角的增大而減小。β為45°時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小，這是由于軟弱面的摩擦系數(shù)小，頁(yè)巖破裂受到軟弱面的控制，發(fā)生了摩擦滑移破裂；β為0°時(shí)的抗壓強(qiáng)度要高于β為90°時(shí)，這可能是因?yàn)棣聻?°時(shí)頁(yè)巖的抗壓 強(qiáng)度受到富含碎屑顆粒的紋層控制，而富含碎屑顆粒的紋層具有較高的抗壓強(qiáng)度；β為90°時(shí)軟弱面被壓縮時(shí)容易發(fā)生變形，進(jìn)而造成微裂隙的擴(kuò)展破裂。彈性模量隨β增大而減小，是因?yàn)檐浫趺嬉妆粔嚎s，隨著β增大，軟弱面所起的作用就會(huì)越大。

圖4　不同圍壓條件下頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度與β關(guān)系

圖5　不同圍壓條件下頁(yè)巖彈性模量與β關(guān)系

3.2.2 斷層面對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6給出了β分別為90°、0°時(shí)，圍壓與抗壓強(qiáng)度關(guān)系以及存在斷層面對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，由圖可以看出，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加；圍壓相同時(shí)，斷層面的存在降低了抗壓強(qiáng)度。圖7給出了頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度隨彈性模量的變化趨勢(shì)，可以看出，抗壓強(qiáng)度隨彈性模量的增加而增加。

3.2.3 頁(yè)巖的體積膨脹

圖6　抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化擬合圖

圖7　抗壓強(qiáng)度隨彈性模量變化擬合圖

巖石變形破裂本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)破裂，裂隙增大，體積膨脹，進(jìn)而形成主破裂[16]。圖8為頁(yè)巖的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，藍(lán)色曲線為頁(yè)巖的體積應(yīng)變曲線，由圖可以看出，巖石彈性變形階段以后，在持續(xù)的差應(yīng)力作用下，微裂隙緩慢生長(zhǎng)并形成新的微破裂。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，新的微裂紋加速生長(zhǎng)，并出現(xiàn)新一級(jí)微裂紋，引起巖石總體積的變化（出現(xiàn)膨脹），導(dǎo)致滲透率增大，同時(shí)電阻率（飽含水情況）降低，巖石的波速減小[17-18]（見(jiàn)圖9）。

3.2.4 壓應(yīng)力下微裂隙擴(kuò)展類型

圖8　頁(yè)巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（ε1—軸向應(yīng)變；ε2—橫向應(yīng)變；εv—體積應(yīng)變）

圖9　巖石波速與應(yīng)變關(guān)系曲線

頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層體積壓裂實(shí)踐表明，最常見(jiàn)的裂縫為Ⅰ型和Ⅱ型[19]。從微觀角度看，頁(yè)巖的宏觀裂縫是由于頁(yè)巖中彌散著大量的隨機(jī)分布的微孔隙和微裂隙，在外力作用下，微裂隙發(fā)生了擴(kuò)展、合并、貫通。這些大小、形態(tài)、方向各異的微裂隙，主要有3種演化趨勢(shì)：剪切滑移型破裂趨勢(shì)，拉張型破裂趨勢(shì)及穩(wěn)定閉合趨勢(shì)。當(dāng)宏觀破裂發(fā)生時(shí)，這3種演化趨勢(shì)同時(shí)存在，只是所起作用大小不同。

圖10a中有一條受壓閉合的微裂隙，微裂隙隨著載荷增加發(fā)生穩(wěn)定擴(kuò)展。隨著荷載的增加，微裂隙面發(fā)生摩擦滑移，造成微裂隙端部應(yīng)力集中，從微裂隙端部附近開(kāi)始擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與微裂隙方向不一致，而是偏轉(zhuǎn)一定角度，朝拐折方向擴(kuò)展，破裂從初始斷裂角開(kāi)始之后很快向最大壓應(yīng)力方向漸進(jìn)。理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明斷裂角（θ）約為70.5o[20]，擴(kuò)展部分為拉張性破裂，此裂紋為Ⅱ型裂紋。

圖10b中微裂隙平行于層理方向，在壓應(yīng)力的作用下形成的張性拉力使裂紋面之間的閉合程度很弱，裂紋面之間的摩擦力很小。裂紋不但沒(méi)有閉合，張開(kāi)程度往往增加，變形成為扁橢圓，其長(zhǎng)軸和主應(yīng)力的作用方向平行，此裂紋為Ⅰ型裂紋。

3.3 裂縫的發(fā)育特征

圖10　壓應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展示意圖

由圖3可以看出，拉張型破裂（β=0°、10°）發(fā)生時(shí)，除形成貫通裂紋以外，還發(fā)育了大量的微裂紋，眾多黏聚力小的軟弱面發(fā)生了拉張性破裂，軟弱面的密度越高，形成的裂紋就越多；剪切破裂（β=90°）時(shí)，裂紋發(fā)育最差，一般發(fā)育一條或幾條主裂紋，微裂紋發(fā)育很少，這是因?yàn)檐浫趺姹粔簩?shí)，多數(shù)微裂隙發(fā)生了閉合；滑移破裂時(shí)，有的微裂隙滑移摩擦形成剪切性破裂裂紋，還有一定數(shù)量的微裂隙發(fā)生閉合。圍壓越高產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越少，圍壓越低產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越多，圍壓的升高會(huì)抑制微裂紋的擴(kuò)展。以上分析表明，頁(yè)巖結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力之間的夾角越小，層理越發(fā)育，越有利于裂紋的擴(kuò)展，可壓裂性越好，這有利于增加頁(yè)巖的孔隙體積、提高滲透率以及頁(yè)巖氣的解吸能力。

4　頁(yè)巖破裂的微觀分析

巖石的最終宏觀破裂是由其內(nèi)部的微裂隙和孔隙擴(kuò)展演化而成，因此，可以把微觀破裂特征同其宏觀破裂的力學(xué)機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，從微觀角度探討巖石的破裂規(guī)律[21-22]。當(dāng)巖石破裂模式不同時(shí)，其微觀破裂特征也不同，裂紋和斷口會(huì)表現(xiàn)為不同的微觀形貌特征。4.1 張性破裂

當(dāng)β為0°或較小時(shí)，一般發(fā)生拉張性破裂，這是壓應(yīng)力派生的張力作用的結(jié)果。由圖11可以看出，裂紋主要發(fā)育在泥質(zhì)含量較高的軟弱面中，這是由于黏土礦物中天然微裂隙發(fā)育、抗拉強(qiáng)度較低的緣故。在微裂隙起始擴(kuò)展階段，應(yīng)力誘發(fā)的裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向大致平行，這種應(yīng)力誘發(fā)的微裂隙稱為“翼隙”（見(jiàn)圖11b、11f）。由于頁(yè)巖特殊的組構(gòu)特征，翼隙的空間分布具有較強(qiáng)的局限性，會(huì)在軟弱面中形成微裂隙帶（連通性差）。當(dāng)荷載增加至接近峰值時(shí)，翼隙的空間分布會(huì)突然局部化，許多已擴(kuò)展的微裂隙產(chǎn)生相互作用和合并，從而形成貫通的主裂縫。圖11b、11c中紅色圓圈標(biāo)示出的裂紋，很明顯是剪切破裂形成的，特別是在接近峰值或峰值以后，這種剪切型裂紋更容易形成，說(shuō)明在形成拉張型裂紋的同時(shí)，還形成了與剪切機(jī)制相關(guān)的裂紋。頁(yè)巖系統(tǒng)不穩(wěn)定，微裂隙表面摩擦力小，容易擴(kuò)展，因此其形成的裂紋最多，貫通裂紋主要是在厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中發(fā)育。4.2 剪切破裂

圖11　三軸壓縮實(shí)驗(yàn)后頁(yè)巖的張性破裂圖（樣品為F5-1）

圖12為頁(yè)巖發(fā)生剪切破裂后的破裂面圖像，宏觀上，頁(yè)巖剪切破裂面凹凸不平（見(jiàn)圖12a），且有明顯的擦痕；在掃描電鏡下，擦痕臺(tái)階和微臺(tái)階也非常明顯（見(jiàn)圖12b、12c），表面上有較多的巖粉散布，巖石的滑移造成了顆粒的剪切破裂（見(jiàn)圖12e），這些都表明巖石發(fā)生了剪切破裂。圖12d為張性裂紋，說(shuō)明發(fā)生剪切破裂時(shí)，還伴隨著少量的張性破裂。樣品F3-1 的β為45°，根據(jù)前人和本文的研究，應(yīng)該發(fā)生沿層理面的滑移破裂，但其沒(méi)有發(fā)生滑移破裂，原因可能在于：①樣品的層理不發(fā)育，各向異性差，礦物分布不均勻；②圍壓較高，高圍壓下巖石的破裂不受結(jié)構(gòu)的控制[23]。另外，頁(yè)巖中顆粒的存在對(duì)裂紋擴(kuò)展、集結(jié)會(huì)起到誘導(dǎo)、牽引以及限制作用[24]（見(jiàn)圖12f）。4.3 滑移破裂

由于頁(yè)巖特殊的組構(gòu)特征，當(dāng)層理面與最大主應(yīng)力之間的夾角在某范圍內(nèi)時(shí)[7,12]，會(huì)發(fā)生沿層理面的滑移破裂。圖13給出了樣品F7-2破裂后掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖。在壓應(yīng)力作用下，微破裂首先在軟弱面內(nèi)較大范圍內(nèi)產(chǎn)生，具有一定的優(yōu)勢(shì)方向，呈不均勻分布；宏觀破裂之前，形成軟弱面裂隙帶（局部破碎）?？梢?jiàn)宏觀滑移破裂和微裂隙擴(kuò)展演化都受到軟弱面控制。由圖13b、13c可以看出，滑移在層理附近發(fā)育，一是因?yàn)閷永碇g膠結(jié)能力差，二是層理面附近孔隙比較發(fā)育。由圖13e可以看出，黏土礦物中的自生礦物、碎屑顆粒之間存在大量的粒間孔，可降低抗剪抗拉強(qiáng)度。由圖13f可以看出，破裂面凹凸不平，存在明顯的擦痕，與剪切破裂面相比，表面更為平整。

圖12　三軸壓縮實(shí)驗(yàn)后頁(yè)巖的剪切破裂圖（樣品為F3-1）

圖13　三軸壓縮實(shí)驗(yàn)后頁(yè)巖的滑移破裂（樣品為F7-2）

4.4 頁(yè)巖的破裂模式

結(jié)合前人研究，依據(jù)頁(yè)巖破裂的宏觀和微觀觀察分析，提出了以下3種頁(yè)巖破裂模式：剪切破裂、滑移破裂、張性破裂。

圖14a為頁(yè)巖的剪切破裂模式。當(dāng)層理面與主應(yīng)力夾角較大時(shí)，與層理面平行（或角度很?。┑奈⒘严抖鄶?shù)發(fā)生閉合或很難擴(kuò)展，但仍有大量與層理面夾角較大的微裂隙會(huì)發(fā)生剪切或拉張型擴(kuò)展。在壓應(yīng)力的作用下，軟弱面和富含碎屑顆粒紋層中微裂隙同時(shí)發(fā)生剪切或拉張型擴(kuò)展演化，造成局部破碎，隨著差應(yīng)力的增加，共線剪切裂紋貫通，最終導(dǎo)致整體剪切破裂。另外，局部破碎的形成受富含碎屑顆粒紋層的控制，即只有剪切強(qiáng)度超過(guò)富含碎屑顆粒的紋層中微裂隙的剪切強(qiáng)度時(shí)，才能形成穿越紋層的裂紋。

圖14b為頁(yè)巖的滑移破裂模式。當(dāng)層理面與主應(yīng)力之間的夾角在一定范圍時(shí)，頁(yè)巖會(huì)沿著軟弱面發(fā)生滑移破裂。頁(yè)巖的滑移破裂受結(jié)構(gòu)面的控制，宏觀破裂面一般會(huì)在厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中形成。從微觀上看，軟弱面中與層理平行的微裂隙對(duì)頁(yè)巖的滑移破裂起主導(dǎo)作用，由于軟弱面中微裂隙表面的摩擦系數(shù)小，在壓應(yīng)力的作用下，以微裂隙的剪切破裂為主，且一般不會(huì)穿越軟弱面，形成貫通層理的裂紋。

圖14c為頁(yè)巖的張性破裂模式。當(dāng)β較小或?yàn)?o，高泥質(zhì)含量軟弱面位于結(jié)構(gòu)面附近時(shí)，頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度低，在軟弱面內(nèi)和結(jié)構(gòu)面附近的微裂隙以發(fā)生張性破裂為主。在壓應(yīng)力的作用下，頁(yè)巖系統(tǒng)為非穩(wěn)定系統(tǒng)，平行于層理面的微裂隙沒(méi)有閉合，而是發(fā)生了拉張性擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與層理方向平行，隨著載荷的增加，裂紋集結(jié)成核形成貫通裂紋。軟弱面中的微裂隙拉張性破裂是造成頁(yè)巖破裂的主控因素，當(dāng)然頁(yè)巖破裂不僅發(fā)生微裂隙的拉張型破裂，同時(shí)還存在微裂隙的剪切型破裂，特別是主應(yīng)力接近峰值或峰值以后。

圖14　頁(yè)巖的破裂模式

5　結(jié)論

由于其特殊的組構(gòu)特征，頁(yè)巖的裂紋擴(kuò)展和發(fā)育、力學(xué)特征存在明顯的各向異性，其宏觀破裂模式包括張性破裂、剪切破裂、滑移破裂3種基本類型。取心方向不同時(shí)，其力學(xué)參數(shù)差異較大，平行與垂直層理面取心的試樣，其抗壓強(qiáng)度最高；彈性模量隨β的增加而減?。挥捎谲浫趺婢哂休^低的抗剪抗拉強(qiáng)度，裂紋多發(fā)生在軟弱面內(nèi)部和層理面附近；頁(yè)巖發(fā)生張性破裂時(shí)，裂紋最發(fā)育。

微觀上，頁(yè)巖的宏觀破裂是由其內(nèi)部的孔隙和微裂隙擴(kuò)展發(fā)育而成，微裂隙破裂類型主要包括剪切破裂和拉張型破裂。宏觀剪切破裂和滑移破裂主要是由微裂隙的剪切破裂引起，而張性破裂是由微裂隙的拉張型破裂引起。

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（編輯 黃昌武）

Macro-fracture mode and micro-fracture mechanism of shale

Zhong Jianhua1,2, Liu Shengxin1, Ma Yinsheng3, 4, Yin Chengming3, 4, Liu Chenglin3, 4, Li Zongxing3, Liu Xuan1, Li Yong1
(1. China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Geochemistry Institute of Guangzhou, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of
Geological Sciences, Beijing 100081, China; 4. Key Laboratory of Shale Oil & Gas Evaluation, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Through the study of fabric characteristics, mechanical characteristics, crack and microstructure characteristics of shale, the micro-mechanism, controlling factors and fracture modes of shale macro-fracture are revealed. The macro-fracture of shale is affected by fabric characteristics, coring direction, confining pressure etc, and occurs when the pores and micro-cracks extend, merge and link up. Macroscopic failure modes include shear fracture, tensile fracture and slip rupture. Microscopically, the micro-crack failure mainly includes shear slip type(type II)and tensile type(type I). In essence, the shear rupture and slip fracture of shale are all caused by shear slip rupture of micro-cracks, but due to different shale structure, the failure takes on different modes. The tensile fracture is caused by the tensile extension of micro-cracks. In addition, during the macro-fracture, the shear and tensile fracture of micro-cracks co-exist, but make different contribution to the macro-fracture. Finally, shale fracture patterns, namely shear, tensile rupture and slip burst are set up, and the microscopic mechanism of macro-fracture is explained from the microscopic viewpoint.

Key words:shale; macro-fracture mode; micro-fracture mechanism; microcrack; shear fracture; tension fracture

收稿日期：2014-04-10 修回日期：2015-02-09

作者簡(jiǎn)介：第一鐘建華（1957-），男，山東東營(yíng)人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）教授，主要從事沉積學(xué)、巖石力學(xué)研究。地址：山東省青島市黃島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)66號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，郵政編碼：266580。E-mail: 807227351@qq.com

DOI:10.11698/PED.2015.02.16

文章編號(hào)：1000-0747(2015)02-0242-09

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE122.2

基金項(xiàng)目：國(guó)家油氣重大專項(xiàng)（2011ZX05009-002）；國(guó)家自然科學(xué)基金石油化工重點(diǎn)基金項(xiàng)目（U1262203）