CCNBD試樣測試頁巖Ⅰ型斷裂韌性

梁利喜，何順平，張安東

(西南石油大學油氣藏地質及開發國家重點實驗室，四川成都610500)

CCNBD試樣測試頁巖Ⅰ型斷裂韌性

梁利喜*，何順平，張安東

(西南石油大學油氣藏地質及開發國家重點實驗室，四川成都610500)

斷裂韌性對頁巖壓裂作業及裂縫形態有很大的影響。采用1995年ISRM推薦的人字形切槽巴西圓盤（CCNBD）試件對龍馬溪組和五峰組頁巖進行I型斷裂韌性測試，得出其斷裂韌性值在0.8～1.2之間，通過巖芯照片結合實驗數據分析其破壞斷裂機制。并對兩層組頁巖進行了X射線衍射全巖分析，分析了頁巖組分與斷裂韌性間關系。對比了龍馬溪組兩種不同尺寸巖樣的斷裂韌性，分析其尺寸效應。

頁巖；斷裂韌性；尺寸效應；人字形切槽巴西圓盤(CCNBD)

1　概述

我國具有豐富的頁巖氣資源，加大頁巖氣的開發對緩解能源供應壓力、改善能源結構有很大助益[1]。頁巖氣儲層具有低滲致密、天然裂縫發育等特征，在開發過程中需進行大量的水力壓裂。壓裂過程中的水力裂縫的起裂和延伸受頁巖自身的斷裂韌性影響，當裂縫尖端應力強度因子達到或者超過頁巖的斷裂韌性值時，裂縫開始擴展[2]。在3種斷裂中，巖石類材料主要以Ⅰ型斷裂即張開型斷裂為主，研究頁巖Ⅰ型斷裂韌性對定量評價頁巖儲層可壓裂性有重要作用。

近些年來，國內外研究學者針對靜態或準靜態I型斷裂韌性測試作了大量研究。目前用于測試巖石的斷裂韌性的測試方法主要有三點彎曲法、圓盤法、短棒法、水壓致裂法等[3-6]。針對巖石試樣中不易預制尖銳裂紋，裂紋長度也難以測量，因此不能直接套用比較成熟的用于金屬材料的測試規范，而必須發展特殊的試件和方法。同時，國際上的巖石斷裂專家共同提出用V形切口試樣進行Ⅰ型斷裂試驗[7]。它的優點在于試件不需要預裂，也不需要測定裂紋長度。1988年，IS?RM推薦了用V型切口的三點彎曲圓棒試樣（CB）和短棒試樣（SR）來測試巖石的斷裂韌性[8]。1995年，人字形切槽巴西圓盤試樣（CCNBD）成為最新的ISRM推薦采用的用于測試巖石斷裂韌性的試樣[9]。巴西圓盤試樣在很多方面優于1988年建議方法中的CB和SR試樣：它體積小，有較高的臨界載荷，試樣加載方便，對試驗設備要求不高，允許較大的試樣加工誤差，實驗程序及過程簡單。

本文即采用易于加工和測試的人字形切槽巴西圓盤試樣，該試樣能充分考慮頁巖的特性，人字形切口可以確保裂紋從尖端部位開裂引發Ⅰ形裂紋，且有利于裂紋的穩定擴展，可用于較精確地測試巖石的斷裂韌性。文中針對不同直徑、不同地區的頁巖巖芯，測試其Ⅰ型斷裂韌性值KIC，分析該頁巖的斷裂力學特性，討論了該試樣類型斷裂機制，分析了斷裂韌性值與對應組分間關系。

2　樣品與實驗方法

2.1樣品

頁巖巖芯取自四川盆地的下志留統龍馬溪組（S1l）和上奧陶統五峰組（O3w）露頭巖芯，其中龍馬溪組頁巖采自于四川長寧，五峰組頁巖采自于重慶。巖芯鉆取方向為垂直于層理方向。在制作試樣進行測試前，先采集兩層組部分巖芯，將其研磨成粒徑100目左右的粉末進行X-射線衍射（XRD）測量。測量采用PANa?lytical公司的X-射線衍射儀測量，其結果如圖1所示。

從圖1中可以看到，兩層組巖石的主要礦物成分及含量差別不大，其主要礦物成分均為石英和粘土礦物，其中石英含量均超過60%。此外從圖1中還可以看出，龍馬溪組的粘土礦物較低，而五峰組的石英含量較低。

2.2實驗方法

將兩層組頁巖制作成試樣進行測試，試樣直徑為50mm，其中龍馬溪組頁巖6塊，五峰組巖芯4塊。考慮到圓盤試樣存在尺寸效應，對龍馬溪組頁巖再制作3塊直徑為75mm的圓盤試樣進行測試。試樣的直徑與厚度比例為5∶2，均按照ISRM建議的巖石斷裂韌性測試方法[4]的尺寸要求加工（圖2）。

圖1　頁巖中礦物百分含量

圖2　CCNBD試樣

將試樣圖中所有的幾何參數轉化為關于巖樣半徑和直徑的無量綱參數。換算關系如下：

為了保證測試結果有效，所選參數必須滿足下列限制：

實驗采用的試驗機型號是MTS伺服剛性控制試驗機，其剛度滿足巖石斷裂韌性要求。試樣的加載方式是沿平行于人字形切槽方向在兩端施加集中載荷（圖2），采用恒定位移控制對試樣加載，載荷速度通過加載點位移速度進行控制，位移加載速率為0.5mm/min，利用試驗機配套的伺服系統軟件自動采集不同時間點的載荷、變形等數據。實驗中采用較低的加載速率既有利于裂紋沿預制裂紋面穩定擴展，又利于裂紋尖端非線性斷裂過程區的充分發展，且有利于測得更有效的斷裂韌性值。

根據ISRM建議測試方法，CCNBD試樣斷裂韌性計算公式為：

式中：KIC——Ⅰ型斷裂韌性值，MPa·m1/2；

Pmax——最大破壞載荷值，kN；

D——試樣直徑，cm；

B——試樣厚度，cm；

Y?min——試樣的無量綱臨界應力強度因子，僅由巖樣的幾何參數α0、α1和αB決定。

3　結果和討論

3.1斷裂韌性測試結果

吳禮舟、王啟智[10]等對ISRM建議測試方法應力強度因子重新標定，給出了Y*min值與α0、αB的關系，通過線性插值查表獲得Y*min，則可以由測試獲得Pmax由式(1)計算KIC。其計算結果如圖3所示。

圖3　頁巖Ⅰ型斷裂韌性

3.2CCNBD斷裂機制分析

實驗時，沿中心預制裂縫方向在兩端施加集中載荷，軸向壓縮變形會產生相應的橫向拉伸變形，在韌帶區逐漸積聚彈性應變能。應變能進而轉化為橫向拉張應力作用，該拉張應力就是韌帶區局部應力分布中的最大主應力。由于尖端應力集中，最大主應力并非均勻分布，而是在人字形裂紋尖端部位達到最大的拉張應力。當人字形裂紋端部拉張應力達到巖石最大抗拉強度時，造成裂紋起裂。裂紋起裂后彈性應變能迅速釋放造成裂紋面急劇擴展，導致巖石破裂。實驗過程中記錄下試件的載荷—位移曲線如圖4所示。

圖4　巴西圓盤試件載荷—位移曲線

從圖4的載荷—位移曲線中觀察，大致可以將其分為3個階段。OA段，人字形切槽韌帶尖端微裂紋產生及其非線性變形階段，這一段曲線較長，表明CCNBD試樣人字形韌帶尖端有較長的非線性斷裂過程區；AB段基本呈線性發展，表示微裂紋線彈性擴展變形階段，該段曲線反映了微裂紋穩定擴展成核的過程；BC段表示主裂紋急劇擴展貫通直至破碎階段，實驗時伴隨有大的破碎聲響，部分碎塊崩裂，反映了過程區非線性擴展后的主裂紋貫通失穩過程。曲線表現出破壞前巖芯成彈性變形，峰值強度后急劇降低的脆性特征。

有別于其他巖石，頁巖層理發育、內部含大量微裂縫，其非均質性強。從實驗結果可以看出，同一地區頁巖，在尺寸大小相同、預制裂紋長度差異不大的情況下，KIC值也會有一定的偏差，其斷裂韌性值在0.8～1.2之間。從照片上顯示，裂縫大致沿預制裂縫方向發展，但起裂方向往往與預制裂紋方向有一定的夾角，分析其原因，可能在加工裂紋時對巖樣有所破壞，使預制裂紋周圍各向異性增強；同時，采用壓致拉裂的方式加載，在產生橫向拉應力的同時，也可能在面內產生一定的剪切作用；頁巖層理發育，也會對裂縫延伸產生影響。在這些因素的共同作用下，可能會使裂紋發生一定的偏移。在裂紋擴展到近端部時，部分巖樣上出現裂紋分叉現象，裂紋繼續擴展直至破壞。在裂紋擴展同時對比照片及其對應斷裂韌性值，發生裂紋分叉巖樣其斷裂韌性值較高。其原因在與裂紋在分叉過程中會消耗更多的斷裂能。此外，在裂紋擴展到端部時，部分巖樣上產生了次生裂紋。這是由于CCNBD試樣的主裂紋面迅速擴展貫通破裂后為韌帶附近區域卸荷拉張應力作用提供了空間，峰值載荷后軸向壓應力驟降轉而集中在主裂紋面附近區域，這些因素最終導致端部次生裂紋。斷裂的裂縫面彎曲、粗糙，從人字形尖端至下，斷面粗糙度呈增大的趨勢，也反映出頁巖的非均質性強。

3.3頁巖礦物組成與斷裂韌性關系

分析圖1中兩地區頁巖礦物組分：兩地區巖石的主要礦物成分及含量差別不大，這也進一步佐證了兩地區頁巖斷裂韌性值相近的結果。兩地區石英含量高，從組成上也可認為兩地區巖石的脆性很強，這與試驗中巖芯發生脆性斷裂一致；相比較而言，龍馬溪組的粘土礦物較低，石英含量較高。根據ISRM提供的不同礦物的斷裂韌性數據[11]可知:石英的斷裂韌性為0.24 MPa·m1/2，方解石的斷裂韌性為0.79MPa·m1/2，伊利石、蒙脫石和綠泥石的斷裂韌性為2.19MPa·m1/2。即可以認為石英含量越高，則其斷裂韌性應越小；粘土礦物含量越高，斷裂韌性值越大。對比兩地區直徑50mm圓盤巖樣的平均斷裂韌性，龍馬溪組頁巖斷裂韌性均值為0.99MPa·m1/2，五峰組頁巖斷裂韌性為0.97MPa·m1/2，龍馬溪組頁巖斷裂韌性比五峰組高。其原因主要為兩地區石英含量差異不大，而對比兩地區總礦物組成中的粘土礦物含量，五峰組要高出10%以上，隨粘土礦物含量的增加，頁巖的斷裂韌性值下降。這一特性與石林[12]的研究結果相一致。

3.4尺寸效應

通過圓盤法測試巖樣斷裂韌性時，試樣尺寸大小不同，其斷裂韌性值也會有所差別，即存在尺寸效應。徐世烺[13]等采用三點彎曲試樣對不同尺寸的混凝土進行斷裂韌性測試，其測試試樣體積增大27倍，KIC增大了47.54%。吳禮舟[14]等用直徑77mm和108mm大理石CCNBD試件進行測試，其KIC均值增大了8%。頁巖具有高度的非均質性和各向異性，當試樣尺寸變化時，其斷裂韌性值也會有所變化。本文中通過對龍馬溪組2種不同尺寸巖樣（較小圓盤大小為直徑50mm、厚度20mm，較大圓盤大小為直徑75mm、厚度30mm）進行測試，對比其斷裂韌性值。從整體結果上看，大尺寸巖樣測試的斷裂韌性值較集中，實驗后無明顯的裂縫分叉、端部次生裂縫等現象。因此，通過觀察照片，選出斷裂時破壞情況較一致的巖芯進行對比，其斷裂韌性值如下。其中，S1l-1、S1l-4、S1l-6為較小圓盤，S1l-12、S1l-13、S1l-17為較大圓盤。

圖5　不同尺寸巖樣斷裂韌性值

從圖5可以看出：斷裂韌性值隨試件尺寸增大而略有增加，計算2種大小試樣斷裂韌性平均值，50mm× 20mm試樣為0.87，75mm×30mm試樣為0.93，大尺寸試樣與小尺寸試樣相比，其斷裂韌性值增幅為6.8%。與三點彎曲試樣相比，其增幅較小，即CCNBD試樣尺寸效應比三點彎曲試樣小；與其他巖石試樣相比增幅較小，可能是隨尺寸的增大，試樣中包含的微裂縫及試樣層理面也相應增加，從而使裂縫更易擴展。

4　結論

用人字形切槽巴西圓盤法測試分析頁巖I型斷裂韌性，并與其組分對比，可以得出以下結論：

（1）人字形切槽巴西圓盤法能較好地測試頁巖斷裂韌性，通過測試，兩層組頁巖斷裂韌性大致分布在0.8～1.2之間，且兩層組斷裂韌性均值相近；

（2）頁巖斷裂形式較復雜，裂縫擴展過程中會表現出裂縫方向偏斜、裂縫分叉、在端部出現次生裂紋等情況，斷面粗糙；

（3）通過全巖分析，兩層組礦物組成相近，其斷裂韌性值也相近。從成分上來說，石英含量越高，粘土含量越低，斷裂韌性值越小；

（4）頁巖斷裂韌性也具有尺寸效應，隨試樣尺寸增大，巖樣斷裂韌性有所增大，但增幅較小。

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TE14

A

1004-5716(2016)11-0041-04

2015-12-31

2016-01-08

梁利喜（1976-），男（漢族），河南新鄉人，講師，現從事井眼穩定技術、巖石物理與巖石力學、石油工程測井的教學與研究工作。