韓松波，鄭 晶，2，解經(jīng)宇，孟令彬，李 勇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院， 北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 天津 300309；)

層狀巖體是現(xiàn)代巖土工程中最常見(jiàn)的研究對(duì)象，近些年來(lái)很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)層狀巖石做了很多試驗(yàn)性研究，包括頁(yè)巖[1]、砂巖[2-3]、花崗巖[4]等。劉偉等[5]對(duì)不同傾角層狀巖石進(jìn)行分析，認(rèn)為層巖體力學(xué)性能在與結(jié)構(gòu)面不同傾角方向上表現(xiàn)出明顯的各向異性。Xu等[6]研究了層理角度對(duì)研究區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)隨著層理面的傾角增大層理面的變形呈“∧”形變化特征。王旭一等[7]研究了層狀巖體的各向異性特征，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)探明了層狀巖體的破壞模式和變化特征。李劍光等[8]分析了傾斜軟弱夾層復(fù)合巖體變形、強(qiáng)度特性、破壞形式，結(jié)果表明在不同工況下會(huì)顯示出不同的破壞模式。Chen等[9]通過(guò)一系列單軸試驗(yàn)分析了裂縫巖體中裂縫的擴(kuò)展和聚結(jié)，并確定了五種破壞模式。張東明等[10]在室內(nèi)進(jìn)行了單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，分析了煤礦地下巖層頂板的破壞模式。陶焱[11]對(duì)層狀砂巖的抗壓強(qiáng)度和破壞模式進(jìn)行研究，認(rèn)為在節(jié)理傾角較小時(shí)裂紋從節(jié)理面和端部出現(xiàn)慢慢擴(kuò)展，隨著傾角增大裂紋主要在節(jié)理面附近聚集。夏磊等[12-13]采用一種新的制樣方法，通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)，研究了具有不同結(jié)構(gòu)面巖體的力學(xué)特性。鄭青松等[14]人工制備了不同傾角結(jié)構(gòu)面樣本，探究了結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)巖樣力學(xué)性質(zhì)的影響，小于等于30°時(shí)，巖樣發(fā)生膨脹劈裂破壞，傾角等于45°和60°時(shí)，巖樣沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移破壞。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展一些學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，王輝等[15]通過(guò)數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)分析了巖樣的破壞過(guò)程和層理效應(yīng)，并劃分了5種破壞模式。羅世林等[16]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值軟件模擬相結(jié)合的方法，研究了結(jié)構(gòu)面對(duì)層狀巖體抗壓強(qiáng)度的影響。

可以看出當(dāng)前在研究含結(jié)構(gòu)面層狀巖體的關(guān)注點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)面角度、破壞模式和數(shù)值模擬方法驗(yàn)證。本文通過(guò)室內(nèi)制作不同傾角結(jié)構(gòu)面(包括0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)模型試樣并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究分析了不同傾角下巖體的破裂模式和不同含水率對(duì)巖層力學(xué)性質(zhì)的影響，旨在探討傾角和含水率對(duì)延長(zhǎng)油田華子坪油區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，可以為研究含不同傾角巖層破壞模式和巖層層失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 工程概述

本次研究范圍在陜西省延安市安塞縣化子坪鎮(zhèn)，此油區(qū)長(zhǎng)6為儲(chǔ)油層，巖性主要是砂巖，呈現(xiàn)灰色和淺灰，發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理和平行層理。此外，在水力壓裂起裂過(guò)程中，原有微裂縫隨機(jī)分布、擴(kuò)展延伸并誘導(dǎo)水力裂縫起裂，起裂破壞方向與層理結(jié)構(gòu)面呈不同夾角，所以模擬具有不同傾角層理砂巖的破壞模式和力學(xué)性質(zhì)可以為本工區(qū)壓裂過(guò)程中水力裂縫擴(kuò)展行為提供依據(jù)。砂巖是工程中常見(jiàn)的一種沉積巖，為模擬起裂方向與層理方向的不同夾角進(jìn)行采樣，見(jiàn)圖1。取樣結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 層狀砂巖取樣示意圖

圖2 層狀砂巖試樣

2 試驗(yàn)方案

2.1 巖樣制備

在取樣過(guò)程中由于天然巖石本身的不均勻性和不連續(xù)性導(dǎo)致在工程現(xiàn)場(chǎng)取得的巖樣具有不可避免的隨機(jī)性，試樣中層理角度、厚度、產(chǎn)狀等難以自由選擇。本次試驗(yàn)采取人工制備樣本，選擇常見(jiàn)的硅酸鹽水泥、河砂等模擬不同傾角結(jié)構(gòu)面的巖石。樣本制作采用水泥漿和砂漿模擬巖石及其結(jié)構(gòu)面，水灰比為0.5，對(duì)比真實(shí)巖石模擬真實(shí)情況并突出其研究角度，制作了與巖石受力方向夾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 7組模型，每組2個(gè)，所有試件直徑為50 mm，高徑比為2。經(jīng)檢測(cè)上下兩表面不平行度小于0.05 mm，沿軸向直徑誤差小于0.2 mm ，軸向與端面不垂直度小于0.2°，符合巖石物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)規(guī)程要求。養(yǎng)護(hù)28 d后，取出試樣見(jiàn)圖3。

圖3 部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和加載方案

試驗(yàn)設(shè)備為RTR-2000高溫高壓快速巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)，能夠模擬地層在高溫高壓條件下測(cè)試巖石的單軸或三軸壓縮試驗(yàn)。本次室內(nèi)試驗(yàn)采用單軸壓縮試驗(yàn)，在試驗(yàn)中采取恒定位移加載的控制方式，加載速率為0.003 mm/s，試樣失去承載能力時(shí)停止加載。加載前用3條彈力帶將試樣固定，預(yù)防試樣破壞過(guò)程中巖塊碎裂崩落。試驗(yàn)系統(tǒng)可以自動(dòng)收集法向應(yīng)力和應(yīng)變，并通過(guò)軟件操作繪制成應(yīng)力應(yīng)變曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破裂模式分析

停止加載后模型破裂模式見(jiàn)圖4，模型按照節(jié)理角度不同分為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七種試樣，在傾角0°時(shí)，模型隨著軸向受力，模型會(huì)橫向擴(kuò)張，產(chǎn)生拉應(yīng)力并在其作用下模型的弱面即結(jié)構(gòu)面會(huì)先破壞最終形成多個(gè)豎向貫穿整個(gè)模型的張拉型破裂面。在傾角15°和30°時(shí)，此時(shí)節(jié)理面主導(dǎo)破壞模式，模型劈裂張拉破壞為主開(kāi)始出現(xiàn)剪切效應(yīng)，破裂面按照結(jié)構(gòu)面方向擴(kuò)展，模型強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦力和膠結(jié)能力。在傾角45°時(shí)試樣理論破壞模式為純剪切破壞，但在制樣過(guò)程中結(jié)構(gòu)面并不是理想狀態(tài)的斜面，在試樣加載過(guò)程中，軸向來(lái)壓的方向和結(jié)構(gòu)面的夾角也不是理想的45°具有微小的差異，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉剪應(yīng)力，所以破壞面并不是理想狀態(tài)下按照層理方向破壞，此時(shí)結(jié)構(gòu)面控制試樣破裂模式的作用開(kāi)始削弱。傾角60°時(shí)，軸向來(lái)壓方向與結(jié)構(gòu)面夾角變大，在破裂模式上基質(zhì)體作用提升，試樣發(fā)生裂縫穿透結(jié)構(gòu)面和剪切滑移并存的情況。傾角75°時(shí)，隨著軸向應(yīng)力的增加模型頂端出現(xiàn)豎向裂縫，并在裂縫延伸的過(guò)程中逐漸向模型中部逼近并穿過(guò)結(jié)構(gòu)面，模型的剪切破壞被大幅度削弱，形成了彎曲的破壞面?？梢?jiàn)，裂縫延展方向和結(jié)構(gòu)面角度越大時(shí)裂縫越容易穿過(guò)層理面。傾角在90°時(shí)，節(jié)理面角度模型破壞模式影響最小，主要為張拉破壞，模型宏觀破壞面不按照節(jié)理角度破壞，模型上部有碎塊崩落的情況，裂縫依然穿透結(jié)構(gòu)面，隨著軸向應(yīng)力施加，水平弱膠結(jié)面依然會(huì)發(fā)生破壞，但剪切破壞很微弱，此時(shí)節(jié)理面角度主導(dǎo)模型破壞模式不明顯。

3.2 力學(xué)參數(shù)各向異性分析

模型試樣的力學(xué)參數(shù)會(huì)因結(jié)構(gòu)面傾角不同而發(fā)生變化，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到應(yīng)力應(yīng)變圖像見(jiàn)圖5，相同角度的模型飽水試樣的單軸抗壓強(qiáng)度明顯降低；在試樣進(jìn)行飽水過(guò)程中，水分子和試樣發(fā)生反應(yīng)，降低了結(jié)構(gòu)面和基質(zhì)體的膠結(jié)作用。在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣受到軸向來(lái)壓，試樣孔隙和裂隙中的水會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力進(jìn)一步降低試樣的強(qiáng)度。

圖5 各傾角應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同角度結(jié)構(gòu)面的存在改變了單軸抗壓強(qiáng)度，圖6是不同節(jié)理傾角下干燥和飽水試樣單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果，其中分別列出了不同模型的試驗(yàn)結(jié)果，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增加單軸抗壓強(qiáng)度越來(lái)越小，當(dāng)傾角θ=0°時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面的張拉型劈裂破壞并不會(huì)導(dǎo)致模型試樣失穩(wěn)，裂縫形成仍然可以承受軸向荷載，所以單軸抗壓強(qiáng)度較大。當(dāng)傾角到達(dá)30°時(shí)模型試樣抗壓強(qiáng)度最小，僅為9.82 MPa。傾角30°和45°破裂是以剪切破壞為主，單軸抗壓強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)能力和摩擦系數(shù)，所以單軸抗壓強(qiáng)度較小。之后隨著結(jié)構(gòu)面傾角增加單軸抗壓強(qiáng)度大體呈逐漸增加趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)面傾角60°～90°時(shí)，由于結(jié)構(gòu)面趨于水平，所以試樣單軸抗壓強(qiáng)度取決于試樣本身的抗壓能力。在結(jié)構(gòu)面傾角為90°抗壓強(qiáng)度最高，為33.8 MPa。對(duì)于單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，隨著傾角增大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象，圖像趨勢(shì)為“勺”形。

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度隨層理傾角關(guān)系

4 數(shù)值模擬

4.1 模型介紹及模擬過(guò)程

此次建立數(shù)值模型和室內(nèi)試驗(yàn)相符，尺寸為底面直徑50 mm，高度100 mm的圓柱體；為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)面在模型數(shù)值模擬中的作用，本次模型建立了厚度為10 mm的結(jié)構(gòu)面。在模型中結(jié)構(gòu)面傾角分別是0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，在FLAC3D中所建立的三維數(shù)值部分模型見(jiàn)圖7。本次數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)體采用Mohr-Coulomb模型，層狀結(jié)構(gòu)面采用遍布節(jié)理模型。

圖7 部分?jǐn)?shù)值模型

表1 模型試樣參數(shù)

砂巖的單軸壓縮建立在FLAC3D的模擬環(huán)境中，通過(guò)創(chuàng)建命令流來(lái)建立不同傾角的結(jié)構(gòu)面，給模型基質(zhì)體和結(jié)構(gòu)面賦予不同物性參數(shù)，約束模型底面位移為0，通過(guò)在圓柱體頂面施加伺服應(yīng)力，監(jiān)測(cè)頂面中心點(diǎn)和頂面邊緣的位移、應(yīng)力變化。最終根據(jù)應(yīng)力和位移的變化分析判斷模型的裂縫延展情況。

4.2 模擬結(jié)果及分析

通過(guò)有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行單軸壓縮模擬，本次數(shù)值模擬主要驗(yàn)證模型受到軸向應(yīng)力過(guò)程中應(yīng)力和位移變化，從而判斷裂縫延展的趨勢(shì)。通過(guò)不斷調(diào)整物性參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)單軸試驗(yàn)基本一致。

各方向傾角應(yīng)力、位移云圖見(jiàn)圖8—圖11。0°傾角：通過(guò)豎向應(yīng)力和位移云圖可以看到在豎向結(jié)構(gòu)面處應(yīng)力最大，在豎向結(jié)構(gòu)面的位移比周?chē)幕|(zhì)體大，基質(zhì)體向四周膨脹。這是因?yàn)殡S著模型軸向受力，模型會(huì)橫向膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力使其結(jié)構(gòu)面破壞。15°傾角：在位移和應(yīng)力云圖中可看出：從豎向應(yīng)力來(lái)看基質(zhì)體應(yīng)力比結(jié)構(gòu)面略大，水平軸向應(yīng)力在結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)點(diǎn)狀輪廓。在水平方向位移結(jié)構(gòu)面的上部和下部基質(zhì)體位移較大且集中和試樣上下部分巖塊缺失相符合。在軸向位移可以清晰看到沿著結(jié)構(gòu)面滑移的位移線。證明此角度主演沿著結(jié)構(gòu)面方向破裂。30°/45°傾角：在位移云圖中顯示，從結(jié)構(gòu)面至以上基質(zhì)體位移云圖連續(xù)且位移比下半部分基質(zhì)體大，在結(jié)構(gòu)面的上端和下端分別形成了圓形連續(xù)的正向位移。應(yīng)力云圖顯示在水平方向上和豎直方向結(jié)構(gòu)面處的應(yīng)力和基質(zhì)體相比較小。這是由于此時(shí)結(jié)構(gòu)面開(kāi)始主導(dǎo)模型的破壞模式，模型結(jié)構(gòu)面與受力方向不是完全精確30°和45°， 產(chǎn)生拉剪應(yīng)

圖9 水平方向(X)位移云圖

圖10 水平方向(Z)位移云圖

圖11 豎直方向(Y)位移云圖

力，模型呈剪切破壞。60°/75°傾角：位移云圖顯示在結(jié)構(gòu)面及上下部分位移云圖連續(xù)，位移大小相似，說(shuō)明結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石的破壞模式的影響正在減弱。在豎直方向應(yīng)力云圖局部有透過(guò)結(jié)構(gòu)面連續(xù)的現(xiàn)象，此現(xiàn)象和巖石穿透結(jié)構(gòu)面的裂縫相吻合。

從45°傾角開(kāi)始水平向位移云圖在結(jié)構(gòu)面上下部分位移最大的云圖從尖銳慢慢擴(kuò)大至圓滑，豎向位移云圖變得越來(lái)越均勻沒(méi)有沿結(jié)構(gòu)面的滑移線條，說(shuō)明結(jié)構(gòu)面對(duì)模型的破壞模式的影響逐漸變小。豎向應(yīng)力云圖顯示隨著傾角變大，結(jié)構(gòu)面附近應(yīng)力云圖連續(xù)且穿過(guò)結(jié)構(gòu)面。這是由于隨著傾角增大模型的強(qiáng)度主要靠基質(zhì)體，隨著豎向應(yīng)力增大，出現(xiàn)穿透結(jié)構(gòu)面的裂縫。

5 討 論

5.1 延長(zhǎng)油田長(zhǎng)6儲(chǔ)層致密砂巖非均質(zhì)性與力學(xué)特征的聯(lián)系

5.1.1 微觀特征與泊松比和抗壓強(qiáng)度的聯(lián)系

在致密砂巖成巖過(guò)程中沉積壓實(shí)和構(gòu)造作用對(duì)其影響顯著。沉積壓實(shí)使礦物顆粒形成層狀結(jié)構(gòu)，層狀巖體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成隨機(jī)角度的巖層構(gòu)造。此外，砂巖結(jié)構(gòu)面和基質(zhì)體相比壓密程度較小。當(dāng)傾角0°時(shí)，主要發(fā)生張拉破壞剪切滑移作用被限制，張拉作用使橫向應(yīng)變?cè)龃?，從而?dǎo)致泊松比增大。當(dāng)傾角為15°～45°時(shí)剪切滑移作用變強(qiáng)，從而軸向應(yīng)變?cè)龃?，泊松比降低。隨著角度增大巖樣內(nèi)部的孔隙、微裂紋及其連通情況逐漸增強(qiáng)，在壓縮過(guò)程中大傾角試樣剪切滑移作用被抑制，孔隙壓密效果凸顯導(dǎo)致軸向應(yīng)變?cè)龃螅此杀茸冃?。單軸抗壓強(qiáng)度主要依靠巖體基質(zhì)體自身強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面之間的膠結(jié)能力。微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖體影響較小，但是在壓縮過(guò)程中由于壓密作用，巖體內(nèi)的孔隙、微裂紋逐漸擴(kuò)展并連通，最終形成宏觀破壞，因此巖體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)、微裂紋和微裂縫會(huì)影響巖體抗壓強(qiáng)度。

5.1.2 微觀特征與橫縱波速的聯(lián)系

從掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果可知平行結(jié)構(gòu)面和基質(zhì)體的壓密程度、孔隙度較為相似，結(jié)構(gòu)面對(duì)橫縱波速度削弱較小[17]。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角逐漸增大時(shí)，由于結(jié)構(gòu)面相較于基質(zhì)體膠結(jié)程度和壓密程度較差，所以當(dāng)橫縱波穿過(guò)結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)對(duì)橫縱波速削弱程度逐漸增加。

5.2 巖體各向異性對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

目前水力壓裂是研究巖體各項(xiàng)異性對(duì)裂紋擴(kuò)展影響的有效手段之一。巖體層理面和基質(zhì)體相比，被破壞發(fā)生斷裂可能性更大，阻止水力裂縫擴(kuò)展的能力較弱，水力裂縫擴(kuò)展時(shí)優(yōu)先打開(kāi)層理面。在水力壓裂起縫時(shí)，微裂紋、微裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展連接，導(dǎo)致巖體的黏聚力降低，在層理面傾角在75°～90°時(shí)垂直于層理面方向的微裂紋發(fā)育程度更強(qiáng)，這些微裂縫一般會(huì)誘導(dǎo)水力裂縫在垂直層理方向起裂。另外，當(dāng)破壞方向和層理角度夾角較小時(shí)，容易出現(xiàn)按照層理面剪切滑移的情況，所以在實(shí)際工程中盡量增大層理面和水力裂縫的夾角，可以避免水力裂縫被層理面誘導(dǎo)。

6 結(jié) 論

本文研究了具有不同結(jié)構(gòu)面傾角巖體的破壞模式和各向異性。利用單軸壓縮試驗(yàn)并通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬驗(yàn)證其結(jié)果，建立了有限差分?jǐn)?shù)值模型，模擬研究層狀巖體在細(xì)觀層面上的力學(xué)機(jī)制和破裂過(guò)程。主要結(jié)論包括：

(1) 在本工區(qū)層狀砂巖的破裂過(guò)程結(jié)構(gòu)面充當(dāng)了重要的角色，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為 0°時(shí)，巖石主要為張拉型劈裂破壞，宏觀破裂面沿著結(jié)構(gòu)面；當(dāng)傾角為15°、30°和45°時(shí)，剪切效應(yīng)開(kāi)始并逐漸增大，結(jié)構(gòu)面控制巖石的破壞模式開(kāi)始變?nèi)酰渲?，?dāng)傾角為 60°、75°和90°時(shí)，試件基本呈滑移剪切和劈裂破壞，裂紋穿透結(jié)構(gòu)面且破裂面沿節(jié)理面方向擴(kuò)展效應(yīng)減弱效果增大。

(2) 結(jié)構(gòu)面對(duì)層狀巖體的力學(xué)特性起控制作用，相同角度的模型飽水試樣的單軸抗壓強(qiáng)度明顯降低，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的減小，巖石單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象，圖像趨勢(shì)為“勺”形?？梢?jiàn)傾角不同對(duì)巖層的強(qiáng)度變形特性影響明顯。

(3) 本次通過(guò)FLAC3D模擬不同傾角巖體受到軸向壓力過(guò)程中的應(yīng)力和位移，判斷巖體的破壞模式，在監(jiān)測(cè)的位移和應(yīng)力云圖可以看出具有不同結(jié)構(gòu)面傾角巖石破裂模式和室內(nèi)試驗(yàn)擬合良好。

(4) 層狀砂巖的各向異性在一定范圍對(duì)水力壓裂過(guò)程中裂縫的擴(kuò)展行為有控制作用。在結(jié)構(gòu)面傾角較小時(shí)容易產(chǎn)生滑移作用，當(dāng)傾角變大后，巖石在受力情況下裂縫會(huì)穿透結(jié)構(gòu)面，所以在工程中增大層理面和裂縫夾角可以避免被結(jié)構(gòu)面誘導(dǎo)。