王爽, 鄔忠虎, 陳筠, 唐摩天

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴陽 550025； 3.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院， 貴陽 550025； 4.貴州理工學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院， 貴陽 550003)

黔北頁巖氣是國土資源部第二輪頁巖氣招標(biāo)區(qū)塊之一，在中國非常規(guī)天然氣區(qū)塊中占有極其重要的地位，其成功開采為中國能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)完善做出重大貢獻(xiàn)[1-2]。

從頁巖儲層物性、巖相特征出發(fā)，研究頁巖的成熟度和形成演化過程，其中成巖作用、構(gòu)造作用和埋藏深度在頁巖形成演化過程中扮演著至關(guān)重要的角色[3]；頁巖孔隙是頁巖氣吸附儲藏場所[4-5]，而天然裂縫則是頁巖氣的運(yùn)移通道[6-7]，兩者與構(gòu)造應(yīng)力、礦物性質(zhì)、礦物含量密不可分[7-8]；相關(guān)學(xué)者研究了復(fù)雜構(gòu)造作用下，頁巖孔隙特征、形成演化機(jī)制和脆性礦物分布特征[9-10]，得出復(fù)雜構(gòu)造作用下頁巖孔隙和礦物性質(zhì)及分布存在一定相關(guān)性[11]；儲層裂縫預(yù)測作為頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)域劃定的重要依據(jù)，主要有定性和定量兩種預(yù)測方法。站在斷裂的角度定性預(yù)測來看，斷裂帶兩側(cè)、斷裂末端及斷裂交匯處是儲層裂縫發(fā)育地帶[12]，而分形維數(shù)[13]、地震與測井[6]、構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬[14]等定量預(yù)測儲層裂縫的方法也日漸成熟；通過對黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖巖心和露頭樣品進(jìn)行相關(guān)測試和試驗(yàn)得出天然裂縫[15]、有機(jī)碳含量與礦物含量、性質(zhì)及分布之間的關(guān)系[16]。在這些巖樣中，天然裂縫主要以高角度構(gòu)造裂縫為主[17]，其中被填充程度可達(dá)95%，且方解石為主要填充礦物[18]；從具有多場耦合性質(zhì)的單三軸壓縮試驗(yàn)來看[19]，研究層理[20]、礦物性質(zhì)[21]等對頁巖力學(xué)性質(zhì)[22]、滲透性和裂縫擴(kuò)展的影響[23]，為頁巖氣儲層壓裂改造和裂縫擴(kuò)展機(jī)理提供理論支撐，從而進(jìn)一步提高頁巖氣的開采質(zhì)量和開采效益[24]。

綜上，學(xué)者們在研究頁巖氣的高效開采中做了大量工作，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)[25]，并為后期的深入研究提供可行性方向[26-28]。石英作為頁巖中主要礦物(也是主要脆性礦物)，對頁巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響[29]，前人研究主要集中在石英類型與孔隙和天然裂縫之間的關(guān)系[3]，但鮮有石英含量與頁巖力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，現(xiàn)以貴州省黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖巖心為對象，研究在單軸壓縮條件下不同石英含量對頁巖力學(xué)性質(zhì)和壓裂改造的影響，并在此基礎(chǔ)上，分析頁巖中不同石英含量在單軸壓縮條件下的能量演化特征。

1 頁巖儲層特征與區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)頁巖儲層特征

研究區(qū)頁巖儲層礦物組分復(fù)雜多樣，主要劃分為脆性礦物(如石英方解石等)和黏土礦物(如高嶺石和伊利石等)。研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要為黑色碳質(zhì)頁巖，上部為黑色泥巖(含碳質(zhì))，下部為黑色碳質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖和硅質(zhì)薄層。頁巖中脆性礦物含量越高，在構(gòu)造應(yīng)力和外力壓裂改造過程中越容易產(chǎn)生裂縫，為頁巖氣提供賦存空間和滲流運(yùn)移通道。通過交叉偶極子陣列聲波測井技術(shù)對研究區(qū)FC-1井頁巖儲層力學(xué)性質(zhì)分析可知，碳質(zhì)泥頁巖的彈性模量為2.32×104～6.19×104MPa，平均值為4.91×104MPa；體積模量為1.75×104～4.96×104MPa，平均值為3.20×104MPa；泊松比為0.20～0.33，平均值為0.24；破裂壓力為39.02～67.14 MPa，平均值為59.27 MPa；脆性指數(shù)為12.02～51.87，平均值為34.07[30]。

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力場是形成天然裂縫的根本原因，主要受海西、燕山和喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動疊加，造成了揚(yáng)子地臺復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)[9, 14]。其中以燕山運(yùn)動最為重要，在該期間內(nèi)研究區(qū)受到西北-東南向擠壓應(yīng)力場，后期研究區(qū)遭受了近東西向的喜馬拉雅運(yùn)動擠壓應(yīng)力場，與先期燕山運(yùn)動具有明顯的繼承疊加關(guān)系，具體見圖1所示[14, 23]。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列北東向和南北向的復(fù)背斜和復(fù)向斜構(gòu)造，形成以“隔槽式”結(jié)構(gòu)為主的褶皺形態(tài)；斷裂是由多個(gè)走向斷裂相互切割，聯(lián)合作用形成的，以北北東向-北東向的扭性斷裂為主。這些構(gòu)造行跡中南北向構(gòu)造形成最早，北東向構(gòu)造帶形成最晚，北北東向構(gòu)造帶的形成時(shí)間在兩者之間[10, 17]。研究區(qū)內(nèi)頁巖儲層天然裂縫發(fā)育程度與斷層性質(zhì)存在很大關(guān)系，一般來說壓扭性斷層天然裂縫發(fā)育程度較高；其次構(gòu)造類型對頁巖儲層天然裂縫發(fā)育程度也存在一定影響，背斜構(gòu)造兩翼的裂縫發(fā)育程度和貫通性均低于軸部[31]。

2 樣品測試與理論

2.1 樣品測試

五個(gè)樣品均來自于貴州黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖巖心，先將樣品加工處理成相同尺寸大小，加工尺寸直徑約為25 mm，高度約為50 mm，這些樣品主要為灰黑色硅質(zhì)頁巖；孔隙度對頁巖的力學(xué)性質(zhì)存在一定的影響，采用具有N2的FYKS-2高溫覆壓孔滲測定儀來測量五個(gè)樣品的孔隙度，從而分析頁巖力學(xué)性質(zhì)與孔隙度的關(guān)系，樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1；采用X射線衍射儀對五個(gè)樣品進(jìn)行礦物成分分析，五個(gè)樣品中，石英為主要組成礦物，其含量均超過49%，其中樣品1石英含量超過80%，依次還有長石、黃鐵礦、鐵白云石和黏土礦物，石英礦物含量與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)碳含量為3.54%～8.12%，較偏高，具體見圖2所示。

A為主要構(gòu)造運(yùn)動疊加；B為斷裂發(fā)育程度分布圖；C為研究區(qū)構(gòu)造分布圖1 研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動及斷裂分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of tectonic movements and distribution of fractures in the study area

表1 樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 五個(gè)樣品礦物含量Fig.2 Mineral content of five samples

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

采用INSTRON 1346電液伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)(200T)對五個(gè)頁巖樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析不同石英含量頁巖在單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化特征，以及計(jì)算不同石英含量頁巖的損傷變形和能量演化。試驗(yàn)加載方式為軸向加載，選取位移控制，試驗(yàn)軸向位移加載速率為0.01 mm/min，加載設(shè)備及示意圖如圖3所示。

2.3 能量演化機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)單位巖樣在單軸加載作用下所產(chǎn)生的變形破壞具有典型的非線性力學(xué)特征，假設(shè)巖樣在變形破壞過程中與外界介質(zhì)不發(fā)生熱量交換，則該過程中頁巖吸收的總能量U、釋放彈性應(yīng)變能Ue和消耗應(yīng)變能Ud之間相互轉(zhuǎn)換，維持動態(tài)平衡[32-33]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，頁巖在加載過程中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系式[34]為

U=Ue+Ud

(1)

(2)

圖3 單軸壓縮示意圖Fig.3 Schematic diagram of uniaxial compression

(3)

(4)

2μ(σ1σ2+σ2σ3+σ1σ3)]

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性質(zhì)

將脆性指數(shù)與儲層可壓裂性聯(lián)系在一起來評判頁巖儲層水力壓裂改造難易程度，學(xué)者通常認(rèn)為脆性越高，脆性指數(shù)越大，儲層越容易被壓裂改造，從而頁巖氣產(chǎn)能越高[35]。但是，部分學(xué)者認(rèn)為脆性指數(shù)無法真正定量衡量儲層的壓裂改造難易程度，由于不同段儲層巖石礦物組分含量差異較大，無法在實(shí)際壓裂改造作業(yè)中取得良好效果[36]。然而，相對來說脆性儲層的可壓裂性總體偏好，更容易形成壓裂裂縫，增加頁巖氣滲流通道[37]。圖4為五個(gè)樣品的脆性指數(shù)擬合曲線，該脆性指數(shù)是基于頁巖礦物組分進(jìn)行確定的，其值等于石英和鐵白云石礦物含量之和與總礦物含量之比，其表達(dá)式為

Br=(Wqtz+Wdol)/WT

(6)

式(6)中：Br為脆性指數(shù)；WT、Wqtz和Wdol分別為礦物總含量、石英含量和鐵白云石含量。

圖4 石英含量與脆性指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship of quartz content and brittleness index

從圖4中可以看出，石英含量與脆性指數(shù)具有高擬合程度，擬合指數(shù)R2=0.933，說明石英含量是頁巖脆性評價(jià)的主要礦物成分，同時(shí)也說明黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層脆性程度較高。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線能很好地表征巖石在受壓過程中的變形破壞情況，從而反映巖石性質(zhì)以及在各變形階段的可能影響因素[38-39]。圖5為不同石英含量下頁巖受壓過程中變形破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似，但也存在較小差異。

(1)在裂隙壓密階段，五個(gè)樣品呈現(xiàn)出相似的上凹型，說明樣品中存在一定的微裂縫、微孔洞和充填物，在應(yīng)力加載過程中表現(xiàn)出非線性特征，該過程長短視加載速率大小與微裂縫、微孔洞和充填物多少而定。

(2)巖樣被壓密后，變形進(jìn)入彈性變形階段，樣品由不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為似連續(xù)介質(zhì)，該階段長短視巖性的堅(jiān)硬程度而定。圖5(a)和圖5(e)在裂隙壓密階段之后出現(xiàn)線性特征直至巖樣破壞，沒有出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，這種應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢屬于塑-彈性型，說明這兩個(gè)巖樣中不僅裂隙孔隙發(fā)育，而且非常堅(jiān)硬，以彈性變形為主。從礦物含量上來看，這兩個(gè)巖樣的石英含量占比很大，均超過了80%，進(jìn)一步說明石英含量對頁巖的力學(xué)性質(zhì)影響明顯。

(3)圖5(b)～圖5(d)在曲線末端見微小的非線性屈服段，因?yàn)檫@三個(gè)巖樣中石英含量相對其他兩個(gè)巖樣占比小很多，對頁巖的力學(xué)性質(zhì)影響相對較小，其次巖樣中石英含量依然在頁巖中占有很大比例，因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較緩的塑-彈-塑性型。

(4)在應(yīng)力持續(xù)加載作用下，巖樣內(nèi)部單元基質(zhì)達(dá)到自身的極限強(qiáng)度，巖樣開始變形，微裂隙等不斷萌生，逐漸形成貫通性破壞面，并被分裂成相互脫離的塊體，從而導(dǎo)致完全破壞。圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)巖樣承載力達(dá)到峰值后，曲線幾乎垂直跌落，而圖5(b)和圖5(c)曲線呈一定夾角，說明圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)具有明顯的脆性破壞特征，正好對應(yīng)石英含量最多的三組巖樣，如圖6所示[38]。

(5)從峰值應(yīng)力處巖樣的破壞特征來看，圖5(b)和圖5(c)中巖樣破壞為剪斷破壞。在穩(wěn)定破裂階段，巖樣中的萌生的拉張分支裂隙生長方向逐漸轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向，也就是軸向方向，隨著應(yīng)力的持續(xù)加載，巖樣變形進(jìn)入不穩(wěn)定破裂階段，此階段出現(xiàn)與上述裂隙相垂直的法向壓碎帶，使得巖橋遭到破壞，不斷削弱鎖固段巖石的強(qiáng)度，當(dāng)所有裂隙轉(zhuǎn)向至與最大主應(yīng)力平行時(shí)，則導(dǎo)致巖樣完全破壞。破壞面幾乎垂直貫穿整個(gè)巖樣，少有巖塊崩落飛濺而出，說明軸向主破裂面控制巖樣的最終破壞，以及脆性特征相對較弱。而相對圖5(b)和圖5(c)的圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)來說，導(dǎo)致巖樣最終破壞的破裂面多很多，且沿最大主應(yīng)力方向破壞，巖樣呈現(xiàn)多塊狀不規(guī)則破壞，尤其是圖5(a)和圖5(e)最為顯著，說明裂隙發(fā)育貫通性好，也進(jìn)一步得出石英含量對頁巖力學(xué)性質(zhì)影響顯著。

圖5 不同石英含量頁巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞特征Fig.5 Stress-strain curves and damage characteristics of shales with different quartz contents

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線脆性程度模型Fig.6 The brittleness degree model of stress-strain curve

彈性模量為巖石在加載受壓作用下法向應(yīng)力(或者拉伸應(yīng)力)與沿法向應(yīng)力方向的應(yīng)變(或者相對伸長)的比值。其意義為巖石作為彈性體時(shí)發(fā)生單位線應(yīng)變而產(chǎn)生的應(yīng)力大小。彈性模量用來度量巖石在壓縮過程中抗張變形時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力大小，是巖石張變彈性強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。巖石彈性模量的大小決定巖石在受外力作用下變形破壞的難易程度，是巖石彈性力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)[30]。

圖7 石英和黏土礦物含量與彈性模量的關(guān)系Fig.7 Relationship between quartz and clay mineral content and elastic modulus

石英含量不是影響頁巖力學(xué)性質(zhì)的唯一因素，比如頁巖中天然裂縫和孔隙的發(fā)育程度，以及天然裂縫中填充程度和填充物的性質(zhì)等都會對頁巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[12, 15]，但是，這些都與石英含量密切相關(guān)，例如，石英含量在一定范圍內(nèi)，天然裂縫密度隨石英含量的增加而增加，也就是說石英含量越高，在外力作用下(構(gòu)造應(yīng)力和水力壓裂等)，頁巖儲層越容易被壓裂改造形成多裂縫網(wǎng)絡(luò)[29]；其次，頁巖中孔隙度發(fā)育程度與脆性礦物(石英+長石等)含量呈正相關(guān)關(guān)系[29]。同時(shí)，在脆性礦物顆粒周圍存在大量殘余孔隙，在外力壓裂過程中，裂縫主要沿脆性礦物邊緣殘余孔隙和顆粒間界面擴(kuò)展。因此，脆性的增加將有助于裂紋的擴(kuò)展，也間接說明石英含量與孔隙度之間存在一定的關(guān)系，從而影響頁巖的力學(xué)性質(zhì)[9-10]；再次，黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的天然裂縫中接近95.2%處于全填充狀態(tài)，這些被填充的天然裂縫中又接近80%為碳酸鹽類方解石脆性礦物，而黏土礦物填充比例不足6%，說明天然裂縫和其填充程度、填充物性質(zhì)對減弱頁巖的脆性性質(zhì)影響很小[18]。因此，石英不僅是頁巖的主要礦物成分，還是影響頁巖力學(xué)性質(zhì)的主要因素。

圖7中，雖然頁巖的彈性模量總體隨石英含量的增加而增大，但是在石英含量差別不大的情況下，彈性模量卻存在一定差別，比如樣品1和5。甚至還存在石英含量小幅度增加，彈性模量卻降低的現(xiàn)象，比如樣品3和4，說明在石英含量接近的頁巖中，還有其他可能因素影響頁巖的力學(xué)性質(zhì)，在此，以孔隙度這一因素進(jìn)行簡要分析(天然裂縫及其填充程度和填充物性質(zhì)也會對此產(chǎn)生一定影響，上述已說明影響程度)。圖8為相近石英含量頁巖樣品中的孔隙度和彈性模量關(guān)系圖，從圖8中可知，樣品4的石英含量高于樣品3，但是樣品4的彈性模量低于樣品3，而兩者的孔隙度大小卻剛好相反；樣品1和5的石英含量接近，且樣品1的彈性模量高于樣品5，但是兩者孔隙度大小也剛好相反，從這兩組石英含量相近的頁巖樣品的彈性模量大小相比較來看，孔隙度大小對石英含量相近的頁巖樣品的力學(xué)性質(zhì)存在一定的影響，具體表現(xiàn)為當(dāng)頁巖中石英含量相近時(shí)，彈性模量較大者，孔隙度較??；彈性模量較小者，孔隙度較大。但是在總的石英含量變化趨勢上，頁巖的彈性模量與石英含量呈正相關(guān)，隨石英含量的增大而增大。

圖8 不同石英含量頁巖所對應(yīng)的彈性模量與孔隙度的關(guān)系Fig.8 Relationship between elastic modulus and porosity of shale with different quartz contents

3.2 能量演化

當(dāng)外界應(yīng)力施加至巖樣的同時(shí)，也在向巖樣輸入能量。當(dāng)巖樣內(nèi)的單元基質(zhì)在外界加壓下達(dá)到其自身強(qiáng)度時(shí)就會發(fā)生變形破壞，在受壓變形破壞的過程中不斷吸收外界能量，其中一部分以彈性應(yīng)變形式存儲于每個(gè)單元基質(zhì)中，另外部分則以塑性應(yīng)變能和熱能等多種消耗能的形式被轉(zhuǎn)化到其他地方，例如，在裂紋萌生和分支擴(kuò)展過程中被消耗，或者在剪斷凸起體的滑動摩擦生熱的形式被消耗，這些能量釋放之后不能以其他方式進(jìn)行保持和釋放。巖樣從受壓、變形、破壞到應(yīng)力釋放的過程中，這些能量都是呈不同形式同時(shí)產(chǎn)生和存在的，以便相互轉(zhuǎn)化，只是各種性質(zhì)的能量在巖樣受壓過程中所占總能量的比例各有差異[32-34, 40]。忽略巖樣在受壓過程中摩擦所產(chǎn)生的熱能以及其轉(zhuǎn)化，則巖樣所吸收的總能量主要以彈性能和消耗能的形式存在和轉(zhuǎn)化，具體如圖9所示。

圖9 單軸壓縮下不同石英含量頁巖的能量演化特征曲線Fig.9 Energy evolution characteristic curves of shale with different quartz contents under uniaxial compression

圖9中的能量變化趨勢可劃分為平緩-上凹-近線性增長和跌落4個(gè)階段。

(1)起初，巖樣剛開始受壓，巖樣中原存在的充填物、孔隙和結(jié)構(gòu)面等逐漸被壓密閉合，此時(shí)巖樣中僅有少數(shù)的單元基質(zhì)吸收能量或者結(jié)構(gòu)面等被壓密的過程中所產(chǎn)生的少量能量。因此，能量曲線呈現(xiàn)出近平緩態(tài)勢。

(2)應(yīng)力持續(xù)加載，巖樣成為似連續(xù)介質(zhì)進(jìn)入彈性變形階段，此階段不僅變形隨應(yīng)力成比例增加，而且可恢復(fù)的彈性變形是該階段的主要特征，巖樣內(nèi)部單元基質(zhì)被壓縮變形逐漸開始吸收儲存能量，但是由于該階段加壓并沒有使單元基質(zhì)達(dá)到其最大強(qiáng)度，也就是彈性極限，所以該階段能量曲線上升較緩，呈上凹型。

(3)持續(xù)加壓使得巖樣內(nèi)部分強(qiáng)度較低單元基質(zhì)超過了自身的彈性極限，導(dǎo)致單元基質(zhì)發(fā)生破壞，能量開始急劇上升。進(jìn)入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段之后，之前薄弱的單元基質(zhì)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致應(yīng)力重分布致使應(yīng)力集中在次薄弱的單元基質(zhì)，其結(jié)果又引起次薄弱的單元基質(zhì)破壞。從薄弱的單元基質(zhì)開始出現(xiàn)破壞，使得應(yīng)力重分布導(dǎo)致次薄弱的單元基質(zhì)再次發(fā)生破壞的這個(gè)過程呈現(xiàn)出連續(xù)各個(gè)擊破的現(xiàn)象，從而能量曲線變現(xiàn)為近線性增長的趨勢。巖樣的最終破壞是由于內(nèi)部單元基質(zhì)連續(xù)破壞形成宏觀貫通性破裂面造成的，當(dāng)巖樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)就會發(fā)生完全破壞，而此處的巖樣吸收能量達(dá)到最大值。

(4)當(dāng)巖樣完全破壞后，內(nèi)部吸收能量也迅速擴(kuò)散，曲線呈現(xiàn)跌落現(xiàn)象。

從石英含量的角度來分析受壓過程中巖樣的能量演化特征，五個(gè)巖樣不管石英含量占比多少，巖樣受壓過程中消耗能大于彈性應(yīng)變能，低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量高，如圖9(a)、圖9(e)與圖9(b)、圖9(d)，這是因?yàn)楦呤⒑繋r樣在受壓過程中，內(nèi)部單元基質(zhì)積聚的彈性應(yīng)變能不易被釋放轉(zhuǎn)化，當(dāng)部分單元基質(zhì)達(dá)到自身彈性極限時(shí)發(fā)生破壞，裂紋迅速擴(kuò)展從而導(dǎo)致巖樣整體突然破壞；而低石英含量巖樣中，部分弱單元基質(zhì)發(fā)生塑性變形，但是不易致使裂紋擴(kuò)展至強(qiáng)單元基質(zhì)中，因此裂紋擴(kuò)展貫通速度較緩，吸收的能量也就越高，這與地層中高脆性巖層因應(yīng)力重分布而突然發(fā)生巖爆現(xiàn)象類似[39]。但圖9(c)石英含量占比較小，吸收能量也較小，這可能是因?yàn)槿鯁卧|(zhì)破壞之后，裂縫沿著未完全閉合的結(jié)構(gòu)面迅速擴(kuò)展，致使宏觀裂縫快速貫通，從而導(dǎo)致巖樣破壞較早，吸收的能量相對較少。但總體來說，低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量高。

4 結(jié)論

(1)通過XRD對五個(gè)頁巖樣品礦物組分分析可知，石英為主要組成礦物，其含量均超過49%，最高可達(dá)81.3%；石英含量與脆性指數(shù)擬合為R2=0.933。

(2)樣品1和樣品5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)屈服階段，呈典型的塑-彈性型，且裂紋擴(kuò)展多而復(fù)雜；樣品2、樣品3和樣品4的破壞面幾乎垂直貫穿整個(gè)巖樣，連續(xù)性較好，少有巖塊崩落飛濺而出，軸向主破裂面控制巖樣的最終破壞。

(3)當(dāng)石英含量分別占比49.5%和81.3%時(shí)，彈性模量達(dá)到最低20.46 GPa和最高27.53 GPa；巖樣的彈性模量與石英含量和黏土礦物含量擬合指數(shù)分別為0.88和0.73。

(4)能量演化可劃分為平緩-上凹-近線性增長和跌落4個(gè)階段；巖樣受壓過程中消耗能大于彈性應(yīng)變能，且低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量大。