鄧　智, 程禮軍, 潘林華, 賀　培

( 1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 國(guó)土資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400042；　2. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心，重慶　400042;　3. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶頁巖氣研究中心，重慶　400042 )

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層理傾角對(duì)頁巖三軸應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試和縱橫波速度的影響

鄧智1,2,3, 程禮軍1,2,3, 潘林華1,2,3, 賀培1,2,3

( 1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 國(guó)土資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400042；2. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心，重慶400042;3. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶頁巖氣研究中心，重慶400042 )

針對(duì)頁巖層理發(fā)育的特點(diǎn)，根據(jù)不同層理傾角條件下的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和縱橫波速度測(cè)試，獲得層理傾角對(duì)頁巖破壞形態(tài)、強(qiáng)度、彈性模量、泊松比和縱橫波速的影響，明確軸向應(yīng)力與縱橫波速度變化關(guān)系，建立研究頁巖儲(chǔ)層的動(dòng)、靜態(tài)彈性模量與泊松比的相關(guān)因數(shù)，分析頁巖的力學(xué)參數(shù)、縱橫波速度的變異因數(shù)和各向異性因數(shù)。結(jié)果表明：頁巖力學(xué)參數(shù)及縱橫波速度受層理傾角線性變化，軸向應(yīng)力與縱波速度正相關(guān)，動(dòng)靜態(tài)彈性模量和泊松比相關(guān)因數(shù)分別為1.39、1.18，力學(xué)參數(shù)的變異因數(shù)和各向異性因數(shù)均值較超聲波速度大。該結(jié)果可以為頁巖氣測(cè)井解釋、鉆井設(shè)計(jì)和水力壓裂改造提供基礎(chǔ)參數(shù)。

頁巖； 層理； 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)； 力學(xué)參數(shù)； 超聲波速度； 各向異性因數(shù)

0　引言

由于層狀巖石具有層狀結(jié)構(gòu)，不僅變形和強(qiáng)度性質(zhì)具有明顯的各向異性，巖體的破壞機(jī)理及方式也明顯不同于其他巖體的[1]。頁巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率低，薄層狀或薄片狀層理發(fā)育，屬于頁巖儲(chǔ)層的薄弱面，導(dǎo)致頁巖力學(xué)性能、縱橫波速度及微觀結(jié)構(gòu)等方面存在明顯的各向異性，其破壞機(jī)理關(guān)系到頁巖氣井的井壁穩(wěn)定性和水力壓裂成功率。

美國(guó)和加拿大等國(guó)家的頁巖氣已進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)階段，有關(guān)頁巖儲(chǔ)層力學(xué)性能的研究，主要集中在頁巖內(nèi)部成分、應(yīng)力等對(duì)頁巖各向異性的影響，動(dòng)靜態(tài)結(jié)合研究的成果相對(duì)較少。Tutuncu A N[2]基于美國(guó)頁巖儲(chǔ)層的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，分析美國(guó)不同盆地頁巖儲(chǔ)層的力學(xué)參數(shù)，明確層理傾角對(duì)彈性模量、泊松比及強(qiáng)度參數(shù)的影響；Yan F Y等[3]和Sone H等[4]采用動(dòng)靜態(tài)結(jié)合的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析有機(jī)碳含量、黏土含量、密度、應(yīng)力等對(duì)聲波速度和彈性參數(shù)的影響；Sayers C M[5]分析層理傾角對(duì)頁巖彈性模量和泊松比的影響，認(rèn)為各向異性對(duì)水平最小主應(yīng)力和壓裂設(shè)計(jì)有重要影響；Dewhurst D N等[6]研究應(yīng)力和沉積對(duì)頁巖波速各向異性的影響；Fjaer E等[7]分析頁巖層理傾角對(duì)強(qiáng)度的影響因素，建立強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，以評(píng)價(jià)層理傾角對(duì)強(qiáng)度的影響；Vernik L等[8-9]研究頁巖的聲波速度各向異性；Sierra R等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究頁巖的彈性波速各向異性，發(fā)現(xiàn)頁巖定向排列的黏土礦物成分與各向異性具有較好的相關(guān)性； Khan S等[11]分析頁巖力學(xué)參數(shù)的各向異性，明確頁巖的各向異性對(duì)地應(yīng)力分析和井壁穩(wěn)定性的影響。

我國(guó)學(xué)者對(duì)非頁巖層理巖石的各向異性方面進(jìn)行研究，分析層理對(duì)彈性模量、泊松比、強(qiáng)度及超聲波速度等[12-20]方面的影響。我國(guó)的頁巖氣開發(fā)還處于初級(jí)階段，對(duì)于頁巖各向異性的研究相對(duì)較少，將動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力學(xué)參數(shù)結(jié)合研究的成果較少。徐敬賓等[21]研究頁巖的各向異性，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波速度存在明顯的各向異性；王倩等[22]推導(dǎo)頁巖各向異性公式并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；賈長(zhǎng)貴等[23]進(jìn)行不同頁巖層理面角度取心的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得其力學(xué)參數(shù)及破壞模式特征；鄧?yán)^新等[24]分析泥頁巖聲波速度各向異性，并評(píng)價(jià)其影響因素。文中以重慶渝東南地區(qū)頁巖氣井鉆井取心為研究目標(biāo)，利用動(dòng)、靜態(tài)結(jié)合的三軸壓縮實(shí)驗(yàn),研究層理傾角對(duì)頁巖力學(xué)性能和超聲波速度的影響，評(píng)價(jià)渝東南龍馬溪組頁巖的變異因數(shù)。該成果可以為研究區(qū)域的頁巖氣井測(cè)井解釋、井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、壓裂起裂和裂縫擴(kuò)展模擬提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1　巖心礦物組分及實(shí)驗(yàn)方案

1.1礦物組分

實(shí)驗(yàn)試件取自重慶渝東南地區(qū)的頁巖氣井，層位為奧陶系上統(tǒng)五峰組—志留系下統(tǒng)，儲(chǔ)層深度為720～800 m，孔隙壓力為9 MPa，孔隙度為1.4%，鉆井取心層理發(fā)育，天然裂縫較少，以鉆井誘導(dǎo)裂縫為主。實(shí)驗(yàn)試件的礦物組分主要為石英、長(zhǎng)石、黏土，次要礦物為碳酸鹽，局部含少量黃鐵礦。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

為了研究層理傾角對(duì)頁巖巖石力學(xué)參數(shù)及超聲波速度的影響，實(shí)驗(yàn)試件從3個(gè)方向鉆取，鉆取方案見圖1。由圖1可知：(1)垂直于層理方向，層理傾角為0°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?0°；(2)平行于層理方向，層理傾角為90°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?°；(3)垂直層理45°鉆取，層理傾角為45°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?5°。實(shí)驗(yàn)試件的尺寸為φ25 mm×φ50 mm。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，進(jìn)行6組巖心(總計(jì)18塊)實(shí)驗(yàn)。

圖1　實(shí)驗(yàn)試件鉆取方案Fig.1 Drilled scheme of experimental samples

圖2　實(shí)驗(yàn)加載示意

采用美國(guó)Terratek公司生產(chǎn)的三軸應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)(RMTTS)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，巖石試件受力方式見圖2。實(shí)驗(yàn)過程中，軸向應(yīng)力通過位移進(jìn)行加載，加載速率為1.67×10-6m/s，圍壓、孔隙壓力通過液壓控制方式加載，加載速率為1.67×10-2m/s。動(dòng)態(tài)波速測(cè)試的縱波換能器的頻率為1 000 kHz，橫波頻率為500 kHz，縱橫波發(fā)射和接收探頭與試件直接接觸，采用適量凡士林耦合。巖心編號(hào)、密度、實(shí)驗(yàn)條件等參數(shù)見表1。

實(shí)驗(yàn)采用三軸壓縮測(cè)試分析頁巖的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)，測(cè)量過程中，將巖石介質(zhì)假定為Hooke介質(zhì)，在擬靜態(tài)單調(diào)加載過程中獲得應(yīng)力—應(yīng)變曲線；根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以獲得抗壓強(qiáng)度、體積屈服強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等參數(shù)，可以計(jì)算彈性模量和泊松比。

2　結(jié)果與討論

2.1破壞形態(tài)

對(duì)于三軸和單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，試件的破壞形態(tài)主要有剪切破壞、劈裂破壞和混合破壞3種，頁巖層理傾角對(duì)試件的破壞形態(tài)具有明顯影響。層理傾角為0°時(shí)，試件以剪切和劈裂相結(jié)合的混合型破壞為主，層理面發(fā)生張性破壞，試件總體發(fā)生剪切破壞，形成明顯的剪切破壞帶，破壞后的試件外表及內(nèi)部CT掃描圖見圖3(a)；層理傾角為45°時(shí)，試件以剪切破壞為主，試件的剪切破壞面主要沿層理方向延伸，可能發(fā)生多條剪切破壞面，破壞后的試件外觀和內(nèi)部CT掃描圖見圖3(b)；層理傾角為90°時(shí)，試件沿層理方向發(fā)生劈裂破壞，劈裂面與軸向應(yīng)力平行，中間脹裂為片狀，個(gè)別試件還存在分叉破壞現(xiàn)象，破壞后的實(shí)驗(yàn)試件的外觀和內(nèi)部CT掃描圖見圖3(c)。

表1　實(shí)驗(yàn)試件的參數(shù)

圖3　不同層理傾角時(shí)試件的破壞形態(tài)Fig.3 The failure mode of different bedding angles samples

2.2強(qiáng)度

三軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線是頁巖力學(xué)參數(shù)求取的關(guān)鍵，可以獲得頁巖的抗壓強(qiáng)度、體積屈服強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等參數(shù)；同時(shí)，根據(jù)公式可以計(jì)算頁巖的彈性模量和泊松比。1#試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖4，頁巖層理傾角為0°(編號(hào)1#-1)時(shí)，體積屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為90 MPa和95 MPa；層理傾角為45°(編號(hào)1#-2)時(shí)，體積屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為75 MPa和87 MPa；層理傾角為90°(編號(hào)1#-3)時(shí)，體積屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為150 MPa和150 MPa，屈服強(qiáng)度隨層理傾角呈U型變化。

6組試件獲得的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度見圖5。由圖5可知，層理傾角為90°時(shí)，獲得的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度最大；層理傾角為45°時(shí)，獲得的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度低于其他2種層理傾角的。層理傾角為90°時(shí)，軸向應(yīng)力與層理面平行，層理方向的缺陷最少，因此抗壓強(qiáng)度最大，試件以劈裂破壞為主，不同的破壞薄片間發(fā)生相互擠壓和扶持作用，導(dǎo)致試件的殘余強(qiáng)度大于其他2種層理傾角的。

圖4　1#試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of 1# shale under triaxial compression

圖5　6組試件獲得的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度Fig.5 The from 6 group samples compressive strength and residual strength

2.3彈性模量、泊松比

3種層理傾角條件下獲得的彈性模量和泊松比見圖(6-7)。由圖(6-7)可知：層理傾角為0°時(shí)，彈性模量平均為3.24×1010Pa，泊松比平均為0.178 5；層理傾角為45°時(shí)，彈性模量平均為3.67×1010Pa，泊松比平均為0.245 7；層理傾角為90°時(shí)，彈性模量平均為4.49×1010Pa，泊松比平均為0.219 5。頁巖彈性模量隨層理傾角的增大呈上升趨勢(shì)，軸向應(yīng)力與層理面平行時(shí)，頁巖的彈性模量最大。泊松比隨層理傾角的增大呈先增后減的趨勢(shì)，層理傾角為45°時(shí)的泊松比大于其他兩種傾角的泊松比，試件沿層理面破壞，導(dǎo)致試件徑向變形較大，泊松比增大。

圖6　不同層理傾角獲得的彈性模量Fig.6 The obtained elastic modulus at different bedding angles

圖7　不同層理傾角獲得的泊松比Fig.7 The obtained Poisson ratio at different bedding angles

2.4超聲波速度

3種層理傾角條件下的頁巖縱橫波速度見圖8。由圖8可知，隨著層理傾角增大，縱橫波速度增大。層理傾角為0°時(shí)，頁巖的縱波速度平均為4 415 m/s，橫波速度平均為2 940 m/s；層理傾角為45°時(shí)，縱波速度平均為5 230 m/s，橫波速平均度為3 119 m/s；層理傾角為90°時(shí)，縱波速度平均為5 655 m/s，橫波速度平均為3 316 m/s。

3種層理傾角條件下的縱橫波速度比見圖9。由圖9可知，層理傾角為0°時(shí)，縱橫波速度比為1.70；層理傾角為45°時(shí)，縱橫波速度比為1.68；層理傾角為90°時(shí)，縱橫波速度比為1.71；不同層理傾角條件下縱橫波速度比平均為1.70?？傮w上，層理傾角對(duì)縱橫波速度比的影響較小。

超聲波傳播過程中遇到的層理數(shù)量直接關(guān)系到聲波的傳播速度，層理傾角為0°時(shí)，超聲波傳播中遇到的層理面最多，導(dǎo)致超聲波傳播速度最?。粚永韮A角為90°時(shí)，超聲波傳播過程中遇到的層理面最少，超聲波傳播速度最大。

圖8　不同層理傾角條件下的縱橫波速度Fig.8 The velocities of P-wave and S-wave at different bedding angles

圖9　超聲波縱橫波速度比Fig.9 The velocity ratio between P-wave and S-wave

三軸軸向壓力加載過程中，2#試件和6#試件的縱橫波速度隨軸向應(yīng)力變化關(guān)系見圖(10-11)。由圖(10-11)可知，軸向應(yīng)力增大，縱橫波速度增大，相同條件下，縱波速度的增加幅度明顯大于橫波速度的。

圖10　縱波速度與軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.10 The relation between velocity of S-wave and axial stress

圖11　橫波速度與軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.11 The relation between velocity of S-wave and axial stress

2.5動(dòng)靜態(tài)彈性模量、泊松比

通過動(dòng)靜態(tài)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的垂向和水平向的彈性模量和泊松比的關(guān)系曲線見圖(12-13)。由圖(12-13)可知，垂向和水平向的靜態(tài)彈性模量與動(dòng)態(tài)彈性模量的比分別為1.394和1.386，垂向和水平方向的靜態(tài)泊松比和動(dòng)態(tài)泊松比的比分別為1.183和1.185。垂向和水平方向的靜態(tài)彈性模量和泊松比相差較大，但其相關(guān)因數(shù)基本相同，彈性模量的相關(guān)因數(shù)為1.39，泊松比的相關(guān)因數(shù)為1.18。文中獲得的彈性模量和泊松比的動(dòng)靜態(tài)相關(guān)因數(shù)可以為研究區(qū)域的測(cè)井解釋提供參考和驗(yàn)證，也可以對(duì)測(cè)井解釋結(jié)果進(jìn)行校正。

2.6參數(shù)變異因數(shù)

試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變異因數(shù)的柱狀圖見圖14。由圖14可知，不同層理傾角條件下，頁巖的力學(xué)參數(shù)的變異因數(shù)較大，其中抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、體積屈服強(qiáng)度的變異因數(shù)超過0.3，彈性模量、泊松比的變異因數(shù)次之；縱波速度、橫波速度及縱橫波速度比的變異因數(shù)最小，低于0.2。頁巖巖樣在3個(gè)層理傾角方向的力學(xué)特性變異因數(shù)沒有明顯的規(guī)律性。

2.7參數(shù)各向異性

試件力學(xué)參數(shù)和超聲波速度參數(shù)的各項(xiàng)異性因數(shù)的柱狀圖見圖15。由圖15可知，抗壓強(qiáng)度隨層理傾角的變化各向異性因數(shù)變化最大，層理傾角90°/層理傾角45°的各向異性因數(shù)的最大值為3.10，平均值為2.33；超聲波速度隨層理傾角變化的各向異性因數(shù)穩(wěn)定且較小。

圖12　彈性模量動(dòng)靜態(tài)關(guān)系Fig.12 The relation graph between dynamic elastic modulus and static elastic modulus

圖13　泊松比動(dòng)靜態(tài)關(guān)系Fig.13 The relation graph between dynamic Poisson ratio and static Poisson ratio

圖14　試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變異因數(shù)柱狀圖Fig.14 Basic parameters of coal samples and histograms of variation coefficient from test results

圖15　試件實(shí)驗(yàn)參數(shù)的各向異性因數(shù)柱狀圖Fig.15 Basic parameters of shale samples and histograms of anisotropy coefficient from test results

3　結(jié)論

根據(jù)層理傾角的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和超聲波測(cè)試，獲得頁巖層理傾角(層理面與水平面的夾角)為0°、45°和90°時(shí)的力學(xué)參數(shù)、破壞形態(tài)及超聲波速度，結(jié)果表明：(1)層理傾角增大，試件破壞形式逐漸由混合型破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿云茐?，體積屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨層理傾角呈U型變化；(2)層理傾角增大，頁巖的彈性模量增大，泊松比先增后減，縱橫波速度增大；(3)縱波速度與軸向應(yīng)力的變化呈正相關(guān)性，軸向應(yīng)力增大，縱橫波速度增大，軸向應(yīng)力對(duì)橫波速度的影響較小；(4)靜態(tài)彈性模量和泊松比與動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比具有很好的相關(guān)性，彈性模量的相關(guān)因數(shù)為1.39，泊松比的相關(guān)因數(shù)為1.18；(5)頁巖的力學(xué)特性和聲波速度方面具有一定程度的離散性，力學(xué)參數(shù)的變異因數(shù)明顯大于聲波速度的；(6)頁巖力學(xué)和超聲波速度的各向異性因數(shù)隨層理傾角變化明顯，部分參數(shù)的各向異性因數(shù)超過3.0。該實(shí)驗(yàn)規(guī)律可以為頁巖的鉆井、壓裂和測(cè)井等施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

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2015-11-25；編輯：陸雅玲

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304258)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA064503)

鄧智(1984-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事頁巖氣勘探與開發(fā)方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.004

P631.4;TE122

A

2095-4107(2016)01-0033-07