龙马溪组层状页岩宏细观破坏行为及模型研究

【摘要】：本文通过实验、模拟和理论的综合方法对不同层理龙马溪页岩的宏观和细观破坏行为进行了深入研究,获得了抗压强度、弹性模量、泊松比、断裂能等参数的变化规律;研究了预制缺口与层理夹角对页岩裂纹的萌生、扩展直至破断的影响规律;建立了页岩的弹性模量与层理面倾角的关系式及页岩劈裂破坏的强度公式。所获结论可为页岩气安全、高效开采提供一定的理论依据和实践指导。本文所获主要结论如下:(1)基于准静载和不同应变率下、不同层理龙马溪页岩的宏观破坏行为,得到了页岩的抗压强度、弹性模量、泊松比随层理倾角变化的演变规律,揭示了层理角度导致破坏模式的转变机理,并讨论了低应变率下层状页岩的强度及破坏模式变化规律。①在准静载和不同应变率下,层状页岩应力-应变曲线会经历压密、弹性、屈服和破坏四个阶段;随着层理面与预制缺口夹角增加,页岩抗压强度和弹性模量呈“U”形变化,泊松比则先减小后增加,其中夹角约45°时页岩的抗压强度和弹性模量都最低。②页岩的破坏模式明显受层理面倾角影响:0°～15°时,页岩的破坏模式主要表现为劈裂破坏;15°～30°时,页岩亦是以劈裂破坏为主,但剪切破坏也逐渐在发挥作用;45-60°时,页岩呈现出明显的剪切破坏,且此时的剪切破坏作用效应达到了最大;60°～90°,剪切破坏作用效应减弱,劈裂破坏作用效应加强。③应变率效应对页岩的破坏存在显著影响:当应变率由2.5×106/s增到2.5×104/s,层理面倾角为0°、30°、90°的页岩抗压强度均出现先增加后减小的趋势,且变化幅度较大;但层理倾角60°时页岩的抗压强度随应变率的增加呈现出不同的变化趋势。④不同加载条件下页岩多以劈裂破坏为主,2.5×10~(-5)/s时页岩内部有剪切破坏,随着应变率的进一步降低,剪切机制也越来越明显。当正应力与层理面夹角为60°时,页岩的剪切破坏是主要破坏机制。结合最大剪应力发生在45°的结构弱面上,我们认为当层理面与正应力夹角为45-60°时,页岩的层理面对其破坏机制的影响很大,在页岩水力压裂开发过程中需要考虑这一重大影响因素。(2)对不同层理角度页岩静态细观三点弯曲破坏实验,获得了预制缺口与层理夹角对页岩裂纹的萌生、扩展直至破断的影响规律。①随着层理面与预制缺口夹角的增加,页岩的峰值破坏荷载、弹性模量和断裂能等力学参数也逐渐增大。②页岩破坏通常由主裂纹控制,主裂纹通常有支裂纹;由于页岩矿物颗粒较小,所以主裂纹的扩展路径总体较为平滑。③三点弯曲载荷-位移曲线表明,页岩破坏表现出明显的脆性特征;其破裂产生的主裂纹的扩展路径通常是随机的。当主裂纹扩展遇到层理裂缝时,裂纹会发生止裂、转向、沿裂缝扩展和穿过裂缝继续扩展四种方式,具体由所受到的应力及页岩基质材料和裂纹体共同决定。(3)基于实验计算了不同层理角度页岩的断裂韧性、分析了页岩的断口形貌及破坏机理,并对不同条件下的三点弯曲破坏进行了模拟研究。①细观页岩在三点弯曲实验中,随着层理角度的增加,页岩的断裂韧度会逐渐增大,同一层理角度下不同页岩试件的断裂韧度具有一定的离散性。②页岩断口形貌观测表明,三点弯曲破坏之后,页岩的主要微观断口类型有:波浪形断口、鳞片状断口、层理面断口、沿层状结构面撕裂断口、穿层状结构面撕裂断口、微观裂缝开裂断口等,这与页岩材料及加载应力位移边界条件相关。③页岩微细观破坏模式主要以沿颗粒破坏、穿颗粒破坏和复合破坏为主,破坏机理主要为张拉破坏和剪切破坏。④页岩在破裂过程中,裂纹扩展以一条主裂纹为主,主裂纹周边有分支裂纹,主裂纹的路径通常较为平滑,分叉裂纹一般出现在主裂纹边缘具有的原始裂缝的弱结构面处。页岩主裂纹的扩展路径有一定随机性,原始层理裂缝对试样裂纹主扩展的影响是局部的,主要与弯曲应力竞争,两者的竞争机制决定了裂纹的最终扩展路径。加载速率越大,页岩裂纹扩展速率越快,分支裂纹也相应增加。在页岩开发的水力压裂过程中,水力压裂的冲击速率越大,产生的分支裂缝也越多,越有利于形成页岩气的运移通道。⑤计算获得Ⅰ型页岩断裂韧度K_(IC)为0.736MPa.m~(0.5)。随着缺口角度的增大,KⅠ先上升后下降;随着缺口角度增加,Ⅱ型应力强度因子KⅡ先由缺口角度增大逐渐上升,当缺口角度达到45°时,KⅡ趋于平稳;T应力是一种裂纹尖端平行于裂纹方向的应力,在Ⅰ/Ⅱ复合型断裂向Ⅱ型断裂转变过程中,T应力在逐渐增大。(4)建立页岩的弹性模量与层理面倾角的关系式及页岩劈裂破坏的强度公式。