頁巖滲流-損傷演化特征試驗研究

孫文吉斌，左宇軍，鄔忠虎，許云飛

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室, 貴州 貴陽 550025；3.貴州省優勢礦產資源高效利用工程實驗室，貴州 貴陽 550025；4.復雜地質礦山開采安全技術工程中心，貴州 貴陽 550025)

頁巖滲流-損傷演化特征試驗研究

孫文吉斌1,2,3,4，左宇軍1,2,3,4，鄔忠虎1,2,3,4，許云飛1,2,3,4

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室, 貴州 貴陽 550025；3.貴州省優勢礦產資源高效利用工程實驗室，貴州 貴陽 550025；4.復雜地質礦山開采安全技術工程中心，貴州 貴陽 550025)

頁巖屬于低滲致密巖石，頁巖儲層滲透性是頁巖氣開采過程中的關鍵問題，基于巖石力學三軸滲透性試驗，研究黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖滲流-損傷演化過程的特征。試驗結果表明：頁巖滲透率的變化與損傷作用與應力狀態有著很強的關聯性，頁巖損傷演化過程存在不同階段性特點，損傷主要發生在彈塑性變形階段與在應變軟化階段；頁巖滲透率演化落后于頁巖損傷破壞演化過程；中等圍壓條件下試樣出現局部變形帶壓縮帶，造成頁巖滲透率有一定程度的減小，壓縮帶是造成了頁巖滲透率演化過程落后于頁巖損傷破壞演化過程的原因。

頁巖；滲透率；損傷演化；圍壓；試驗

頁巖氣作為我國重要的非常規能源，人們對頁巖氣的開采愈發重視。頁巖層埋深大，儲層巖石致密，孔隙結構復雜，屬于超低滲透多孔介質，基質孔隙直徑為微納米尺寸[1]。隨著我國頁巖氣開采規模的增加，對頁巖深部開采技術要求越來越高，開采過程中面對頁巖儲層地應力以及地質構造復雜性也隨之增加[2]。此外，在頁巖氣開采過程中，出現頁巖儲層初期出氣量大，短時間內頁巖氣出氣量急劇下降的問題。頁巖氣開采技術主要采用的是水力壓裂技術，因此，對頁巖在滲流影響下損傷機制演化以及滲透特性的研究顯得愈發重要。

近年來，國內外研究學者對巖石的全應力-應變滲透性進行了大量的研究，Siavash Ghabezloo[3]通過對砂巖進行了三軸加滲透試驗，討論了圍壓、孔隙水壓力與滲透率的關系。 Rob Heller[4]通過試驗研究了圍壓、孔隙壓力與頁巖滲透率的關系，并且討論了Darcy和擴散通量對頁巖氣滲流的影響，并且通過分析數據表明有效滲透率在非常低的孔隙壓力下得到顯著的提高是因為滑脫效應的存在。朱珍德等[5]討論了脆性巖石在不同圍壓條件下的滲透特性。王偉等[6]對凝灰巖進行三軸滲透性試驗，討論了巖石破裂不同階段滲透性的演化規律。彭淑萍等[7]，黃遠智等[8]，馬占國等[9]，陳天宇等[10]學者對巖石處于不同應力條件下時,巖石滲透特性進行了研究與探討。但是目前鮮有文獻涉及頁巖損傷演化過程與滲透性耦合關系的研究。為了更加深入研究相關理論，對頁巖試樣開展三軸滲透性試驗以探討頁巖在不同應力狀態下，其損傷演化特征及其對頁巖滲透性的影響。

本文以我國貴州北部下寒武統牛蹄塘組頁巖作為研究對象，通過三軸滲透性試驗研究，結合全應力-應變滲透性曲線、滲透率-損傷曲線揭示黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖損傷演化過程，及其對頁巖滲透性的影響。

1 試驗方法及過程

1.1 試驗設備

試驗在MTS815巖石力學伺服系統上進行，該系統由圍壓、軸壓和孔隙壓力獨立控制加載。該系統由加載部分、測試部分、控制部分、程序控制部分組成。最大圍壓140 MPa，最大軸向壓力為4 600 kN，垂直活塞行程100 mm。

1.2 制備試樣

試樣巖芯取自于黔北鳳崗三區塊，試樣制備按照國際巖石力學學會推薦標準進行，加工成為高徑比2∶1(直徑50 mm、長度100 mm)的圓柱形。

1.3 試驗原理及方法

采用不同圍壓與不同滲透壓下對頁巖進行三軸滲透性的試驗方案，獲得頁巖損傷演化過程，及其對頁巖滲透性的影響。國內外許多專家對巖石損傷給出很多不同的概念。在應力環境作用下，細觀結構的變化(微裂隙、孔隙)引起材料結構的劣化，稱之為損傷[11]。在宏觀力學分析中，許多專家學者將損傷定義為巖石彈性模量的劣化程度[12-14]，其中損傷因子D定義為式(1)。

(1)

本次試驗測量頁巖試樣滲透率的方法采用瞬態法，其基本原理是利用試樣上下水的壓差變化來計算頁巖試樣的滲透率。試驗過程中計算機會自動獲取每級施加壓力下的試樣數據，利用這些數據可以繪制全應力-應變滲透性曲線。試驗滲透計算見式(2)。

(2)

式中：μ是水的黏度系數，Pa·s，式中μ=10-3Pa·s；β是水的壓縮系數，Pa-1，式中β=4.53×10-10Pa-1；V是容水體積，V=332cm3；Δpi/Δpf是測試試樣滲透率時初始壓差與最終壓差之比；Δt為試驗的持續時間，s；As為樣品的截面積，cm2；Ls為樣品的長度，cm。

1.4 試驗方法

為了研究不同應力條件下頁巖損傷演化過程及其對滲透性的影響，將試驗圍壓設置為20MPa、30MPa、40MPa、50MPa；滲透壓差設置為16MPa，如表1所示。試驗前，將試樣放置蒸餾水中浸泡8h，是頁巖試樣的孔裂隙中充滿孔隙水，試驗過程中孔隙水壓力恒定為1MPa。試驗過程中，給試樣先施加一定軸壓與圍壓，待試樣穩定后對再施加滲透壓差，不斷施加軸壓，測得的每級軸壓下的壓差，用來計算頁巖試樣滲透率。

表1 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

不同圍壓條件下頁巖試樣全應力、應變曲線具有一定的相似性，所以本文就以30 MPa圍壓下頁巖損傷破壞為例，對其損傷演化過程及其滲透性進行分析，試樣全應力、應變滲透性曲線如圖1所示。可以看出，整個試驗過程可以為四個階段，分別為試樣內部孔裂隙被壓密階段(階段Ⅰ)、彈性線性變形階段(階段II)、彈塑性變形階段(階段Ⅲ)、應變軟化階段(階段Ⅳ)。

圖1 頁巖試樣全應力應變滲透率曲線

2.2 試驗結果分析

在試樣內部孔裂隙被壓密階段(階段Ⅰ)，頁巖試樣內部孔裂隙由于受到軸壓與圍壓的作用，頁巖內部孔裂隙受到擠壓，孔隙與微裂隙被壓密，滲流通道減小；內部骨架與礦物顆粒也受到應力作用進一步壓實，顆粒間的滲透通道被壓密，張開度減小，造成了水在頁巖試樣內部流動困難，宏觀上體現出頁巖試樣滲透率有一定程度的減小，此時頁巖內部孔隙與微裂隙被壓密。

在彈性線性變形階段(階段II)，頁巖繼續受到增大的軸壓作用，內部孔隙與微裂隙進一步被壓實，此時由于圍壓的作用試樣徑向微裂隙被壓密，橫向微裂隙有一定程度的張開；橫向微裂隙由于受到軸向壓力的作用被壓密，徑向微裂隙一定程度的張開；此時細觀橫向與縱向微裂隙受到不同方向應力的作用造成了細觀結構的改變，微裂隙翼端開始出現剪切應力。內部骨架顆粒受到不同方向的應力作用，由于軸壓的不斷增大而圍壓不變，因此試樣受到的偏應力也在增大，在被壓密的同時，頁巖內部骨架顆粒之間產生剪切應力。高滲透壓使裂紋尖端應力強度因子增大，導致裂紋的不穩定擴展[15]，同時伴隨著新的微裂隙的產生。

在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)，頁巖試樣的滲透率開始時有一定程度的減小最后有很大程度的增加， 這個階段剛開始時試樣重復上一個階段的損傷過程，由于頁巖微裂隙翼端和骨架顆粒受到的剪切應力從而產生新的微裂隙，當頁巖達到屈服極限的時候，內部骨架顆粒破碎，孔隙與微裂隙擴展并開始貫通 ，高滲透壓條件下，微裂隙之間的巖橋發生剪切貫通，此時試樣表面宏觀裂隙開始出現并擴展，頁巖損傷演化達到了一定程度，宏觀上體現出的是頁巖試樣滲透率有很大程度的增加。

在應變軟化階段(階段Ⅳ)，試樣內部為裂隙繼續擴展，最后貫隙通形成宏觀裂，頁巖內部結構已經破壞，試樣破壞，但是宏觀滲透率上體現的是滲透率先減小后增大，這是因為頁巖骨架顆粒破碎后一部分碎粒由于粒徑很小，阻塞了孔裂隙通道，造成頁巖滲透率有一定程度的減小，形成了壓縮帶，宏觀上體現出頁巖滲透率在增大的過程中有突然減小的現象。

3 損傷演化與滲透性的關系

通過式(1)算出了損傷因子的大小，并將其與滲透性曲線疊加在同一坐標系中，如圖3所示。從圖3中可以看出，在加載應力初期，試樣開始損傷，頁巖滲透率隨著損傷緩慢增加開始并沒有明顯的變化，這是因為微裂隙密度小，沒有形成有效的滲流通道。隨著損傷的增加，微裂隙開始擴展，在應力條件下損傷因子D達到0.6左右時，微裂隙開始貫通，此時損傷因子到達最大，試樣達到屈服極限，此時頁巖試樣滲透率表現出來的不是最大值，這是因為壓縮帶阻塞了孔裂隙通道，造成頁巖滲透率有一定程度的減小，試樣損傷過程主要發生在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)與應變軟化階段，這兩個階段的損傷因子最大。

從圖2可以看出，頁巖滲透率演化落后于頁巖損傷破壞演化過程 ，經過分析與討論，作者認為在中等圍壓條件下，頁巖應變軟化階段形成壓縮帶是造成了頁巖滲透率演化過程落后于頁巖損傷破壞演化過程的原因。

圖2 30 MPa圍壓下頁巖試樣損傷與滲透率演化曲線

不同圍壓，頁巖損傷與滲透率演化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，頁巖試樣損傷因子并沒有因為破壞的發生一直增大到完全破壞值1，相反，峰后隨著應變的增大損傷因子逐漸減小，滲透率減小。高圍壓條件下試樣雖然內部出現損傷，雖然損傷因子一直增加，但是滲透率變化相對穩定，后期出現減小的趨勢，說明高圍壓條件下頁巖試樣出現了硬化現象，試樣內部出現損傷，由于高圍壓的約束，試樣沒有破壞，反而出現了脆延轉化現象。

圖3 不同圍壓下頁巖試樣損傷與滲透率演化曲線

從頁巖試樣損傷與滲透率演化過程曲線中可知，頁巖滲透率的變化與頁巖損傷作用有著很強的關聯性，頁巖滲透率演化落后于頁巖損傷破壞演化過程，中低圍壓條件下頁巖損傷演化呈現脆性巖石特征，高圍壓條件下頁巖出現脆延轉化現象，內部出現損傷，但是并沒有發生破壞，滲透率沒有發生突變。

4 結論

本文通過對黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖進行三軸滲透性試驗，對頁巖滲流-損傷演化過程的特征進行研究，得到以下結論。

1)不同應力條件下，頁巖損傷演化過程存在不同階段性特點，損傷主要發生在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)與在應變軟化階段(階段Ⅳ)，這兩個階段試樣內部孔裂隙不穩定擴展與相互貫通，說明了頁巖孔裂隙擴展是造成頁巖力學性質劣化的根本原因。

2)中等圍壓條件下試樣出現局部變形帶壓縮帶，阻塞了孔裂隙通道，造成頁巖滲透率有一定程度的減小，頁巖滲透率演化落后于頁巖損傷破壞演化過程，頁巖應變軟化階段形成壓縮帶是造成了頁巖滲透率演化過程落后于頁巖損傷破壞演化過程的原因。

3) 頁巖滲透性與內部損傷和應力狀態有關，基于試驗數據，定性分析得到頁巖損傷演化過程中損傷因子與滲透率的關系，能較好反映頁巖試樣在不同圍壓下損傷破裂過程中滲透率的變化。

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Experimental study on seepage-damage evolution of shale

SUN Wenjibin1,2,3,4, ZUO Yujun1,2,3,4,WU Zhonghu1,2,3,4, XU Yunfei1,2,3,4

(1. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nonmetallic Mineral Resources, Guiyang 550025, China; 3. Guizhou Engineering Lab of Mineral Resources, Guiyang 550025, China; 4. Engineering Center for Safe Mining Technology under Complex Geologic Condition, Guiyang 550025, China)

Permeability of shale reservoirs is a key issue in shale gas extraction. Based on the triaxial permeability test of rock mechanics, the characteristics of shale seepage-damage evolution of Niutitang Formation of Lower Cambrian in northern Guizhou were studied. The experimental results showed that the shale damage evolution process has different stages. Damage occurs mainly in the elastoplastic deformation stage and in the strain softening stage. Shale permeability evolution is behind the shale damage evolution process. The compressive zone of the test specimen under medium confining pressure resulted in the shale permeability decreasing to a certain extent. The compression zone is the cause of shale permeability evolution lag behind shale damage evolution process.

shale; permeability; damage evolution; confining pressure; experiment

2017-01-03

國家自然科學基金重點項目資助(編號：51574093)；貴州省重大應用基礎研究項目資助(編號：黔科合JZ字[2014]2005)；貴州省高層次創新型人才培養項目資助(編號：黔科合人才(2016)4011號)

孫文吉斌(1984-)，男，碩士，貴州大學安全科學與工程專業，主要從事巖石力學與頁巖滲流，E-mail: sunwenjibin@163.com。

左宇軍(1965-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事巖石力學與采礦工程方面的教學與研究工作，E-mail: zuo_yujun@163.com。

TU45

A

1004-4051(2017)03-0142-04