裂隙對頁巖力學性質影響的研究

(四川大學建筑與環境學院 四川 成都 610000)

一、研究背景

隨著全球能源格局的涌現和世界新興經濟體的不斷升華，全球各國在能源方面的需求急劇增加，對天然氣、石油和煤炭等不可再生能源的爭奪也愈演愈烈。頁巖氣作為常規資源的有效補充能源，已經受到全球各國的關注。美國能源署(EIA)在2014年對全球范圍內除美國以外的41個國家的95個頁巖盆地和137個頁巖氣層資源進行了評估，評估的內容囊括了所選國家最豐富的頁巖氣資源地區，數據顯示，當前全球頁巖氣儲藏量為1012.63×1012m3(萬億立方米)，其非洲地區為188.59×1012m3，居全球第一；亞洲地區為183.81×1012m3，居全球第二；南美洲地區為180.84×1012m3，居全球第三；歐洲地區為138.53×1012m3，居全球第四。

二、研究現狀

水力壓裂是一種有效的頁巖氣藏開采技術。與傳統儲層不同，頁巖是典型的沉積巖，含有大量天然裂縫。當形成裂縫時，可能同時發生拉伸破壞和剪切破壞。不同的破壞模式主要取決于層面和天然裂縫的力學特性，以及它們之間的關系。通常來說，這些不連續性使頁巖的力學性質更加復雜。對于壓裂工程應用，需要更好地了解頁巖的力學特性和破壞過程。為了研究頁巖的力學性質，學術界已經進行了許多實驗。例如，楊志鵬[1]通過實驗研究了層加載角對巴西試驗破壞模式的影響。衡帥[2]進行了直接剪切試驗，研究了不同層取向的層面力學性能和剪切剪切強度。Arora[3]，對頁巖進行了三軸壓縮試驗，分析了橫觀各向同性彈性參數的變化規律，得到了彈性參數與層理角度的關系。基于上述研究，頁巖具有明顯的各向異性特征。然而，這些研究主要集中在層面的效果上。頁巖含有許多天然裂縫。天然裂縫是壓裂過程中形成裂縫網絡的關鍵。有必要研究天然裂縫對頁巖性質的影響。

由于在裂縫擴展過程中裂縫的幾何形狀總是在變化，因此裂縫發展和破壞機制的理論描述非常困難。因此，已經進行了不同的實驗來研究具有裂隙的巖石的力學行為。這些裂隙用于描述預先存在的裂縫或天然裂縫。通過巴西劈裂試驗，壓縮試驗和三點彎試驗，研究了裂隙對巖石破壞的影響。Zhou[4]研究了巴西試驗中單個裂縫或雙裂縫的起始和擴展，并研究了圓盤尺寸和斷裂角度對材料破壞強度的影響。Haeri[5]測量了預裂紋巴西圓盤的破壞強度，并研究了不同傾角的裂縫對巖石類材料的破壞過程。Wong[6]對石膏和大理石進行了一系列單軸壓縮試驗。然而，這些測試巖石通常是各向同性的。由于頁巖是典型的各向異性巖石，上述研究無法描述頁巖的裂縫發育和各向異性破壞。由于了解壓裂工程中含裂隙巖頁巖的力學性質和破壞過程非常重要，因此進行了一些相對實驗。Mokhtari[7]進行了巴西試驗，研究層理或天然裂縫對巖石破壞的影響。兩種類型的不連續的影響是單獨研究，而不是同時研究。羅毅[8]進行了三點彎曲試驗，以研究頁巖的壓裂行為。通過對具有兩個預制裂隙的頁巖樣品進行一系列的壓縮，Morgan[9]還研究了裂紋萌生，傳播和聚結過程。然而，制備含有裂隙的頁巖樣品并不容易。少量頁巖樣品限制了研究人員系統地考慮更多影響因素，例如裂隙與層理面之間的角度，層理面的性質，裂隙的大小。因此，裂縫性頁巖的性質仍有待深入研究，特別是天然裂縫和層理面性質對破壞機制的影響。

三、數值軟件的優勢

作為另一種研究方法，數值模擬可以彌補實驗固有得裂隙。根據弱面的不同表示方法，現有的數值方法分為連續介質方法(CMM)和離散元方法(DEMs)。與CMM相比，弱平面直觀地體現在DEM中，建模過程中不需要定義復雜的本構模型，只需要定義微觀參數。考慮到樣品的小尺寸，顆粒流DEM，例如，顆粒流軟件(PFC)被廣泛用于巖石的破壞過程和微觀機制的研究之中。基于PFC的優勢，研究人員對頁巖進行了一些模擬研究。例如，He[10]研究了巴西試驗下頁巖層理面角度和層理對拉伸強度和斷裂模式的影響。

綜上，基于實驗方法對頁巖力學性質的研究很多，但是主要只考慮了層理面的因素對其力學性質的影響，而考慮裂隙和層理耦合作用影響的相關實驗很少。數值手段可以彌補實驗的缺點對頁巖開展更多方面的研究。