深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性及對(duì)壓裂改造的影響

李慶輝，李少軒，劉偉洲

(1.前海港灣能源科技發(fā)展(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000； 2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710126； 3.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

深層頁(yè)巖油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)逐漸成為非常規(guī)能源研究的熱點(diǎn)。由于特殊的地質(zhì)力學(xué)條件，深層頁(yè)巖在理化性能、巖石力學(xué)特性方面具有特異性，給油氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[1-2]。以往的研究大多針對(duì)頁(yè)巖露頭或淺層樣品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析[3-6]，相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)大多集中在常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)的評(píng)價(jià)方面[3-4]。淺層頁(yè)巖具有顯著的脆性，巖石裂縫相對(duì)發(fā)育，具有較好的壓裂改造基礎(chǔ)[5，7-10]。由于淺層頁(yè)巖強(qiáng)度適中，天然裂縫發(fā)育較好，大多數(shù)裂縫處于半開(kāi)啟(開(kāi)啟)狀態(tài)，巖心餅化現(xiàn)象顯著，層理性更好，成巖膠結(jié)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響并不明顯[6]。然而，深層頁(yè)巖的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)參數(shù)與淺層頁(yè)巖具有明顯的不同[8-12]，這方面尚存在研究空白[4，13-14]。隨著國(guó)內(nèi)外深層頁(yè)巖的不斷開(kāi)發(fā)[10]，迫切需要針對(duì)深層頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究及分析工作，掌握其力學(xué)及形變特性，獲得關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)及隨深度的變化規(guī)律，為井壁穩(wěn)定性分析、壓裂工藝設(shè)計(jì)、油藏?cái)?shù)值模擬及生產(chǎn)開(kāi)發(fā)提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)[4，8-11]。

1 深層頁(yè)巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)巖心樣品取自四川盆地東南緣下志留統(tǒng)五峰組—龍馬溪組地層，構(gòu)造上位于川黔鄂褶皺帶結(jié)合部。該地區(qū)頁(yè)巖氣藏保存條件較好，地質(zhì)年代久，埋藏深，臺(tái)內(nèi)坳陷控制優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的形成分布，頁(yè)巖厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高，頁(yè)巖氣層段壓力系數(shù)高，頁(yè)巖氣富集程度高。實(shí)驗(yàn)采用的是同一地質(zhì)年代地層取樣的巖心，為兼顧層理面的影響，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)取樣方向應(yīng)保證最后施加的最小主應(yīng)力與層理面方向垂直，同時(shí)遵循“壓為正、拉為負(fù)”的力學(xué)原則。

單軸及三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)巖樣為沿層理面方向鉆取的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣，尺寸為Φ25.00 mm×50.00 mm，誤差不超過(guò)±0.50 mm，端面平行度誤差小于±0.02 mm。設(shè)備為剛性伺服控制的巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，剛度為40 MN/mm，加載能力為2000 kN，圍壓上限為200 MPa。三軸實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將圍壓以3 MPa/min的速率加載至預(yù)定值，再軸向加載直至破壞。

采用巴西劈裂實(shí)驗(yàn)法測(cè)試頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度。沿垂直于層理面方向鉆取直徑為50 mm的圓柱體巖心，切割加工成高徑比為1∶2的圓餅巖樣。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，將其表面打磨光滑，上下表面平行度控制在0.50 mm，平整度控制在0.02 mm以內(nèi)，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。采用直剪實(shí)驗(yàn)法測(cè)試頁(yè)巖的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力。

按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)直剪實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制備頁(yè)巖樣品。由于實(shí)驗(yàn)所用巖樣尺寸較其他實(shí)驗(yàn)更大，需要采用露頭樣品完成。取樣時(shí)選擇深度超過(guò)風(fēng)化層3 m以上、保存完整的頁(yè)巖樣品，巖樣尺寸為50 cm×50 cm×50 cm。取樣時(shí)確保層理面與一組表面平行，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)層理面抗剪強(qiáng)度。控制剪應(yīng)力方向載荷的加載速度，巖樣相對(duì)位移不高于2.0 mm/min，位移達(dá)到0.2～0.5 mm記錄一次相應(yīng)的剪應(yīng)力值和位移量，當(dāng)剪切位移穩(wěn)定增加而剪應(yīng)力降至某一常值或剪力向位移量超過(guò)10.0 mm時(shí)，當(dāng)次測(cè)量即可停止。

深層頁(yè)巖的脆性評(píng)價(jià)采用全應(yīng)力應(yīng)變曲線分析法[8，10]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，施加圍壓參考井下實(shí)際應(yīng)力環(huán)境。為與淺層頁(yè)巖進(jìn)行對(duì)比分析，取固定圍壓值為0、15、30、45、60、75、90 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 深層頁(yè)巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及形變特性研究

2.1 深層頁(yè)巖強(qiáng)度特性

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)施加不同圍壓模擬頁(yè)巖在不同深度的抗壓強(qiáng)度(圖1，σc為圍壓，MPa)。由圖1a可知：頁(yè)巖的屈服強(qiáng)度(曲線偏離彈性直線段處的應(yīng)力)[13]、膨脹點(diǎn)強(qiáng)度(非穩(wěn)定破裂階段起點(diǎn)處的應(yīng)力)[14]、抗壓強(qiáng)度(峰值應(yīng)力)、殘余強(qiáng)度(宏觀破裂發(fā)生后的殘余應(yīng)力臺(tái)階)[10]均隨圍壓的升高而升高。圍壓為60 MPa以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度不太穩(wěn)定，σc為60、70 MPa的2條曲線更加接近。此時(shí)，圍壓對(duì)天然裂縫及層理面的限制作用比較明顯，深層頁(yè)巖本身礦物結(jié)構(gòu)及不均一程度擾亂了抗壓強(qiáng)度隨圍壓升高的規(guī)律性。因此，針對(duì)埋深較深、圍壓較高的頁(yè)巖，建議按照目的層應(yīng)力環(huán)境開(kāi)展抗壓破壞實(shí)驗(yàn)，獲取特定埋深及礦物組成的頁(yè)巖的抗壓性能。

圖1 頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化曲線Fig.1 The curve of shale crushing strength versus confining pressure

在分析全應(yīng)力應(yīng)變曲線時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注屈服強(qiáng)度、膨脹點(diǎn)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度等幾個(gè)特征點(diǎn)之間的變化及與實(shí)際破裂過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(1) 屈服強(qiáng)度。由圖1b可知：隨圍壓的升高，屈服強(qiáng)度穩(wěn)定升高。屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量代表主彈性形變階段結(jié)束的時(shí)刻。屈服強(qiáng)度逐漸升高代表頁(yè)巖在破壞前儲(chǔ)備彈性能的水平不斷升高，圍壓越高，巖石變得越硬，越不容易破壞。

(2) 膨脹點(diǎn)強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度和膨脹點(diǎn)強(qiáng)度分別代表巖樣發(fā)生穩(wěn)定破裂和非穩(wěn)定破裂的起始點(diǎn)[15]。隨著圍壓升高，這2個(gè)數(shù)值也明顯升高，這表明頁(yè)巖巖樣在圍壓升高時(shí)，發(fā)生穩(wěn)定破裂和非穩(wěn)定破裂的難度均顯著提高(圖1b)。可見(jiàn)，隨著頁(yè)巖儲(chǔ)層賦存深度變深、圍壓增加，地層被壓開(kāi)并形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的難度變大。

(3) 峰后應(yīng)力跌落幅度。抗壓強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度間的差值為峰后應(yīng)力跌落幅度[13]，在圖1b中以線段頂?shù)组g長(zhǎng)度表示。跌落幅度主要用來(lái)表征頁(yè)巖巖樣達(dá)到破裂點(diǎn)后，在內(nèi)部剩余能量作用下自行發(fā)生多維破裂形成自由表面的能力，可以部分代表脆性的大小[10]。總體而言，隨著圍壓升高，峰后應(yīng)力跌落幅度顯著變小，代表頁(yè)巖巖樣在高圍壓條件下，自行維持脆性破裂及形成多維裂縫面的能力顯著降低。

(4) 抗壓強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度類似，均隨圍壓的增大而近似線性增大。但抗壓強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感性不如殘余強(qiáng)度高，因此，圖1b中的黃色虛線較平，綠色虛線較陡，這也是深層頁(yè)巖破壞后殘余應(yīng)力平臺(tái)較高，脆性相對(duì)變?nèi)酢⒀有灾饾u增強(qiáng)的客觀表現(xiàn)。

2.1.2 抗拉強(qiáng)度

通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到不同賦存深度對(duì)頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律(圖2)。由圖2a可知：隨著埋深的增加，10組頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度逐漸增加，整體規(guī)律性比較明顯；5組深層頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度顯著高于其他相對(duì)淺層頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度，以4 500～5 000 m為分界點(diǎn)；埋深最深的頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度較其他頁(yè)巖巖樣的抗拉強(qiáng)度有突變式增加。分析認(rèn)為，埋深增加后，頁(yè)巖的層理及紋理處的膠結(jié)效果變得更好，該巖樣尤其完整，因此，抗拉強(qiáng)度也更高。

圖2 賦存深度對(duì)頁(yè)巖抗拉、抗剪強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of occurrence depth on shale tensile and shear strength

頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂過(guò)程中主裂縫的形成和擴(kuò)展主要以拉張型為主，抗拉強(qiáng)度升高后，若需要形成裂縫，則要求井筒和縫內(nèi)靜壓力同時(shí)升高。這也是現(xiàn)場(chǎng)壓裂改造時(shí)，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂時(shí)往往難以壓開(kāi)、持續(xù)蹩壓的原因，同時(shí)也造成所需的泵壓和排量更高[1]。

2.1.3 抗剪強(qiáng)度

通過(guò)施加法向應(yīng)力，模擬地層條件下埋深增加時(shí)剪切應(yīng)力增加的情況(圖2b)。由圖2b可知：隨法向應(yīng)力的增加，剪切應(yīng)力呈整體升高的趨勢(shì)；淺層頁(yè)巖抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加而升高的速度(藍(lán)色虛線斜率為0.399 8)低于深層頁(yè)巖抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加而升高的速度(紅色虛線斜率為0.650 3)，后者的變化速率約為前者的2倍。這表明，隨著頁(yè)巖埋深的增加，法向應(yīng)力超過(guò)25 MPa后，抗剪強(qiáng)度將不能簡(jiǎn)單依靠淺層頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)得到的相關(guān)關(guān)系外推獲得，否則將帶來(lái)較大誤差。此外，不施加正應(yīng)力和施加最大正應(yīng)力的巖樣，其抗剪強(qiáng)度差異接近4倍。因此，在評(píng)價(jià)深層頁(yè)巖剪切應(yīng)力時(shí)必須考慮原位正應(yīng)力的影響。

在淺層頁(yè)巖壓裂過(guò)程中，除了主裂縫還會(huì)形成更多次級(jí)擴(kuò)展的裂縫(Ⅱ型剪切滑移裂縫)，這些裂縫共同構(gòu)成水力壓裂改造后的復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。次級(jí)裂縫、分支裂縫和連通性裂縫大多具有不沿最大主應(yīng)力擴(kuò)展的特點(diǎn)[6]。偏離最大應(yīng)力方向的分支裂縫除了需要承受垂直裂縫壁面施加的正應(yīng)力，同時(shí)會(huì)受到沿裂縫壁面施加的剪切應(yīng)力影響，當(dāng)達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，裂縫開(kāi)始發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移，從而形成上述幾類次生裂縫，進(jìn)而改善壓裂效果[6,8,13]。

但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，賦存更深的頁(yè)巖其法向應(yīng)力也相應(yīng)增加，抗剪強(qiáng)度得到顯著提高，導(dǎo)致次級(jí)裂縫的起裂和擴(kuò)展難度加大。這種難度將限制裂縫轉(zhuǎn)向和分叉行為的發(fā)生，導(dǎo)致最大主應(yīng)力方向的主裂縫重新獲得擴(kuò)展優(yōu)先權(quán)，從而形成形狀更加單一的裂縫，較難形成復(fù)雜裂縫和縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不利于壓裂改造體積的增加。

同時(shí)，圖2b也反映出深層頁(yè)巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)與淺層頁(yè)巖存在差異。內(nèi)聚力(截距)和內(nèi)摩擦角(斜率)除了可以表征頁(yè)巖的剪切形變能力外，還能反映不同深度頁(yè)巖顆粒大小、咬合及成巖膠結(jié)強(qiáng)度等方面的重要信息，是評(píng)價(jià)深層頁(yè)巖完整性、抵抗裂縫形變能力、抗剪能力的重要指標(biāo)。由圖2b可知：深層頁(yè)巖與淺層頁(yè)巖的內(nèi)聚力差異并不顯著，而前者內(nèi)摩擦角卻顯著大于后者。因?yàn)閹r樣取自于同年代同地層，頁(yè)巖礦物組成基本相同，礦物顆粒體積也基本相似，不同分子間引力無(wú)較大差別，因此，內(nèi)聚力雖有增加但差異不大；內(nèi)摩擦角差異主要是因?yàn)椴煌疃软?yè)巖的密度、顆粒形狀及孔隙度有變化，深層頁(yè)巖的密度較淺層頁(yè)巖一般相對(duì)更大，顆粒在較高有效應(yīng)力作用下產(chǎn)生進(jìn)一步的形變，孔隙度也相對(duì)更低，這些都進(jìn)一步增大內(nèi)摩擦角，進(jìn)而影響頁(yè)巖抗剪性能。

2.2 深層頁(yè)巖的形變特性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算頁(yè)巖各形變參數(shù)隨圍壓的變化情況(圖3)。由圖3可知：隨圍壓升高，變化趨勢(shì)最顯著的是彈性模量和泊松比，彈性模量隨圍壓升高而顯著升高，泊松比則隨之降低。根據(jù)國(guó)外學(xué)者的研究[11]，彈性模量越高、泊松比數(shù)值越小，頁(yè)巖脆性越好。若僅從圖3分析，隨著圍壓升高頁(yè)巖脆性似乎變得更好。

圖3 不同圍壓對(duì)頁(yè)巖形變模量的影響Fig.3 The influence of different confining pressures on shale deformation modulus

但實(shí)際上這并不符合真實(shí)情況[10，12-14]，除了說(shuō)明這種脆性評(píng)價(jià)方法存在缺陷外[10]，從能量演變的角度看，深層頁(yè)巖全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中共有3個(gè)比較重要的彈性蓄能三角形，分別是彈性階段彈性蓄能E1、破壞前累積彈性能E2及破壞后殘余彈性能E3(圖4a，σy為屈服強(qiáng)度，σs為膨脹點(diǎn)強(qiáng)度，σp為抗壓強(qiáng)度，σr為殘余強(qiáng)度，α為彈性斜率)。在應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)后，頁(yè)巖開(kāi)始發(fā)生脆性破裂，裂縫的擴(kuò)展是在累積彈性能E2驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的，彈性模量越高相應(yīng)的彈性蓄能能力也越高，一般而言脆性也更好。但對(duì)于深層頁(yè)巖，由于頁(yè)巖破壞完成后殘余彈性能E3普遍隨深度增加而升高，因此，真正用于促進(jìn)裂縫自發(fā)生長(zhǎng)的彈性驅(qū)動(dòng)能(E2-E3)反而隨埋深和圍壓增加逐漸降低，這與圖1b中跌落幅度逐漸減小代表的含義一致，說(shuō)明更大比例的能量被頁(yè)巖內(nèi)的塑性形變消耗，脆性已然變差。

頁(yè)巖的破壞過(guò)程伴隨著彈性能的累積與釋放，同時(shí)也是總能量向彈性能和塑性能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，如圖4b所示。在圖4b中，頁(yè)巖破壞階段的彈性驅(qū)動(dòng)能和塑性形變能用氣泡圖進(jìn)行表征，氣泡大小代表2種能量各自的數(shù)值大小，氣泡位置代表兩者之間的相對(duì)比例。由圖4b可知，在不考慮其他能量損耗的情況下，頁(yè)巖巖樣破壞過(guò)程中，99.18%的彈性驅(qū)動(dòng)能[13]是為裂縫擴(kuò)展提供能量，而在圍壓為90 MPa的深層頁(yè)巖中這一比例降至36.56%，減少的能量都消耗在不可逆的塑性變形中；深層頁(yè)巖在壓裂變形時(shí)獲得的絕大多數(shù)能量不再用于有效裂縫的形成，而是消耗在了塑性形變上，這種變化不利于深部頁(yè)巖的壓裂改造，改造后的有效裂縫體積也將大大低于淺層頁(yè)巖，從而影響單井產(chǎn)能。

圖4 頁(yè)巖形變過(guò)程中彈性能變化規(guī)律及能量分配比例

此外，盡管深層頁(yè)巖與淺層頁(yè)巖相比其塑性表現(xiàn)更加明顯，但評(píng)價(jià)其形變恢復(fù)能力的剪切模量、體積恢復(fù)能力的體積模量和橫縱向應(yīng)變差異的拉梅常數(shù)均無(wú)明顯變化。這表明，深度并未對(duì)頁(yè)巖形變后的恢復(fù)能力產(chǎn)生顯著影響。對(duì)應(yīng)于壓裂改造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，施工時(shí)形成的壓裂裂縫在長(zhǎng)期開(kāi)采過(guò)程中會(huì)逐漸變化并恢復(fù)閉合，而深層頁(yè)巖這一裂縫形變恢復(fù)能力與淺層頁(yè)巖相當(dāng)。長(zhǎng)期開(kāi)采時(shí)，深層頁(yè)巖在同等應(yīng)力作用下，具有淺層頁(yè)巖類似的裂縫閉合能力，而考慮到深層頁(yè)巖實(shí)際閉合應(yīng)力又遠(yuǎn)高于淺層頁(yè)巖，其人造裂縫發(fā)生閉合的速度和程度必將超過(guò)淺層頁(yè)巖，不利于生產(chǎn)工作的持續(xù)進(jìn)行。

2.3 深層頁(yè)巖破壞形式及脆性演變

通過(guò)三軸抗壓及抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，可以得到頁(yè)巖破壞形式和裂縫擴(kuò)展結(jié)果(圖5、6)。由圖5可知，在軸向壓縮作用下，低圍壓淺層頁(yè)巖受力達(dá)到斷裂極限后，主要以劈裂式拉張縫為主[4]，裂縫發(fā)育的數(shù)量與尺寸均較為明顯，由于受側(cè)向壓力限制的作用較小，不同尺寸的裂縫遍布巖樣，形成比較充分的裂縫體(圖5a—e)。深層頁(yè)巖處于較高的圍壓環(huán)境，受力后以雙剪裂縫和單剪裂縫為主，此外由于側(cè)限壓力較高，裂縫法向應(yīng)力分量較大，部分微細(xì)裂縫起裂及擴(kuò)展困難，只沿部分薄弱點(diǎn)形成較短擴(kuò)展(圖5f、g)。

圖5 頁(yè)巖三軸抗壓實(shí)驗(yàn)裂縫擴(kuò)展效果

由圖6可知，在無(wú)側(cè)限壓力作用下，從不同深度取得的頁(yè)巖樣品，巴西劈裂實(shí)驗(yàn)中裂縫破壞形態(tài)和劈裂效果整體差異不大。由于加載時(shí)上下加壓點(diǎn)連線與頁(yè)巖層理方向大致相同，實(shí)驗(yàn)后形成的破壞都以拉張型裂縫為主，縱向貫通截面(圖6a、b)，部分頁(yè)巖巖樣會(huì)出現(xiàn)1～2條分支裂縫，主要為層理面剝離發(fā)育的次生裂縫(圖6c—e)。

圖6 頁(yè)巖劈裂實(shí)驗(yàn)裂縫擴(kuò)展效果

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，頁(yè)巖在無(wú)側(cè)限壓力作用下，取自不同深度處的樣品其拉張型裂縫形成的效果沒(méi)有太大差異，之所以在井下形成張性縫的結(jié)果和形式有所差異，主要來(lái)自于賦存環(huán)境的外在影響，地應(yīng)力狀態(tài)、地層流體壓力等都顯著影響了頁(yè)巖張性裂縫的形成和擴(kuò)展，進(jìn)而帶來(lái)井下人工造縫難度上的較大差異。通常來(lái)講，地應(yīng)力越大，張性縫形成越困難；流體壓力越大，巖石脆性相對(duì)越好。

通過(guò)全應(yīng)力應(yīng)變曲線法，計(jì)算頁(yè)巖巖樣在不同圍壓下受力破壞全過(guò)程的脆性指數(shù)，得到結(jié)果如表1所示。由表1可知：埋深越大的頁(yè)巖，其所受的圍壓相應(yīng)也越高，高圍壓能顯著影響頁(yè)巖的脆性，圍壓達(dá)到60 MPa時(shí)，頁(yè)巖已經(jīng)開(kāi)始由拉張型脆斷破壞逐漸向剪切滑移型雙剪切破壞轉(zhuǎn)變，圍壓達(dá)到75 MPa時(shí)，剪切滑移型裂縫成為主要的破壞形式；繼續(xù)增加圍壓至90 MPa時(shí)，深層頁(yè)巖已經(jīng)呈現(xiàn)出單剪裂縫型破壞模式。脆性指數(shù)計(jì)算的結(jié)果與圖1、4的分析結(jié)果相吻合，三者相互佐證，顯示頁(yè)巖在賦存深度較深的環(huán)境下將逐漸由彈-脆性向塑-延性力學(xué)狀態(tài)過(guò)渡。

表1 頁(yè)巖巖樣抗壓破壞脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculating results of compressive failure brittleness index of shale rock sample

限于篇幅，不深入探討溫度對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度和脆性的影響。但據(jù)前人研究成果[12-14]可知，賦存深度越深的巖石在高溫作用下，內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)和本身礦物組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生內(nèi)在變化，這將促使巖石由淺層的脆性向深層的延性轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度大約在200 ℃以上。眾多學(xué)者認(rèn)為[12-18]，四川東部至湖北西部下志留統(tǒng)頁(yè)巖的脆性底界為1 940～2 763 m，因此，埋深為4 500～5 000 m處的溫度、應(yīng)力環(huán)境，雖然不會(huì)讓頁(yè)巖由脆性徹底轉(zhuǎn)變成延性，但已顯著影響頁(yè)巖的力學(xué)表現(xiàn)，使其開(kāi)始接近脆性—延性的轉(zhuǎn)變范圍，這與文中的研究結(jié)論一致。

3 深層頁(yè)巖力學(xué)特性的變化對(duì)壓裂改造的影響

3.1 壓裂改造效果的敏感性分析

上述分析表明，深層頁(yè)巖力學(xué)特性的變化對(duì)其本體破裂形式、形變?cè)炜p能力都有顯著影響。采用Weng等提出的非常規(guī)裂縫模型(UFM)，考慮深層頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)變化對(duì)裂縫溝通、應(yīng)力陰影及縫間干擾的影響，建立巖石力學(xué)因素對(duì)儲(chǔ)層改造體積的敏感性模型[17-19]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量增加時(shí)，儲(chǔ)層SRV會(huì)隨之降低；泊松比、脆性指數(shù)減小時(shí)，儲(chǔ)層SRV也會(huì)降低。抗拉強(qiáng)度的增加，能夠最為顯著地影響SRV結(jié)果，敏感性最高，主要由于有效裂縫大多以拉張型裂縫為主，抗拉強(qiáng)度的增加顯著提高了裂縫生成的難度；其次是脆性指數(shù)，作為頁(yè)巖變形破壞的綜合指數(shù)，其綜合反映了其他力學(xué)參數(shù)的整體變化，參考意義較大；再次是抗壓強(qiáng)度、泊松比、抗剪強(qiáng)度和彈性模量。盡管SRV對(duì)各參數(shù)的敏感性不同，但都反映出隨賦存深度的增加，各參數(shù)都較為顯著地影響了儲(chǔ)層改造的結(jié)果，甚至大大降低了改造效果。

表2 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層改造體積的敏感性分析Table 2 The sensitivity analysis of stimulated volume of deep shale reservoir

3.2 人工裂縫起裂壓力升高

由于頁(yè)巖屬于水化效應(yīng)比較明顯的巖石，采用考慮水化應(yīng)力的破裂壓力計(jì)算模型，分析賦存深度對(duì)起裂壓力的影響[18]。

結(jié)合前人研究成果及現(xiàn)場(chǎng)壓裂經(jīng)驗(yàn)[10，18]，開(kāi)展單因素變量分析后可以看到，頁(yè)巖地層起裂壓力隨埋深的增加呈顯著升高趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算可以得到埋深為3 000 m和5 000 m的頁(yè)巖的起裂壓力數(shù)值(表3)。由表3可知：頁(yè)巖在埋深為3 000 m時(shí)的起裂壓力約為57 MPa；埋深為5 000 m時(shí)，起裂壓力達(dá)到110 MPa左右。埋深的增加通過(guò)影響地應(yīng)力水平、抗拉強(qiáng)度及泊松比等力學(xué)參數(shù)，顯著提升了地層起裂壓力，為壓裂施工的開(kāi)展帶來(lái)更高的難度。

表3 深層頁(yè)巖與淺層頁(yè)巖天然裂縫激活參數(shù)對(duì)比Table 3 The comparison of natural fracture activation parameters between deep shale and shallow shale

3.3 天然裂縫激活難度變大

在淺層頁(yè)巖中，人工裂縫在起裂位置或擴(kuò)展路徑中遇到相對(duì)薄弱的天然裂縫時(shí)會(huì)將其激活。深層頁(yè)巖由于地應(yīng)力更大，作用在天然裂縫壁面的正應(yīng)力更大，發(fā)生剪切和拉張型開(kāi)啟的效率都更低，加上巖石在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代過(guò)程中經(jīng)由地下流體攜帶的礦物質(zhì)填充，裂縫本身膠結(jié)狀態(tài)改變，壓裂液自人工裂縫進(jìn)入后，并不容易引起天然裂縫的激活效應(yīng)。

采用水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展的壓力公式[16]計(jì)算深層頁(yè)巖裂縫轉(zhuǎn)向條件。結(jié)果表明：淺層裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向相對(duì)更容易，轉(zhuǎn)向壓力比起裂壓力高3 MPa左右即可滿足轉(zhuǎn)向條件；深層頁(yè)巖發(fā)生裂縫轉(zhuǎn)向時(shí)的難度更大，比起裂壓力約高6 MPa(表3)，難度增加一倍。

3.4 裂縫發(fā)生分叉難度增加

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于裂縫擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和分支裂縫，從而提高人造裂縫的復(fù)雜程度，增大改造體積。關(guān)于頁(yè)巖裂縫轉(zhuǎn)向的研究較多，但針對(duì)其分叉現(xiàn)象的討論較少，根據(jù)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)及能量守恒理論，水力裂縫發(fā)生分叉時(shí)的條件主要有2個(gè)：必要條件用來(lái)判斷外界供能是否能夠驅(qū)動(dòng)多條裂縫分支共同擴(kuò)展；充分條件用來(lái)判斷裂縫分叉后張開(kāi)角度是否足夠大，從而避免裂縫再次合并[17]。

必要條件為：

(1)

充分條件為：

(2)

實(shí)際分析時(shí)，裂縫分叉擴(kuò)展的必要條件可作為壓裂過(guò)程中裂縫分叉行為發(fā)生與否的力學(xué)判斷準(zhǔn)則，求得裂縫分叉角度后代入充分條件可判斷裂縫是否滿足分支縫獨(dú)立擴(kuò)展的條件。

采用ANSYS數(shù)模軟件，模擬不同深度水力壓裂時(shí)裂縫的擴(kuò)展形態(tài)。從數(shù)值模擬結(jié)果看，淺層頁(yè)巖在壓裂過(guò)程中，主裂縫易在擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后產(chǎn)生更高的能量累積，從而驅(qū)動(dòng)更多分支裂縫的擴(kuò)展，次生分支縫部分能夠獨(dú)立擴(kuò)展，部分則由于主縫優(yōu)勢(shì)和應(yīng)力主導(dǎo)重新并入主裂縫，最終形成類似于網(wǎng)狀的裂縫體，壓裂效果相對(duì)較好[16]。

結(jié)果表明，深層頁(yè)巖壓裂時(shí)主裂縫起裂、延伸、轉(zhuǎn)向及分叉受到更高法向應(yīng)力及剪切摩擦力的影響，雖然能量積累也可以產(chǎn)生大角度分支裂縫，但受到高法向應(yīng)力影響，大多無(wú)法與主縫競(jìng)爭(zhēng)，擴(kuò)展較短距離后則停止生長(zhǎng)。從力學(xué)角度分析，由于頁(yè)巖在深層應(yīng)力環(huán)境影響下具有塑性增強(qiáng)的特點(diǎn)，微分支縫在裂縫尖端形成后，其長(zhǎng)度常小于裂縫尖端塑性變形區(qū)的尺寸，當(dāng)主裂縫繼續(xù)向前延伸時(shí)，微分支縫即停止擴(kuò)展[17]。有些分支縫則在分叉時(shí)受到最大主應(yīng)力的顯著影響，只能形成較小角度分叉，分支縫擴(kuò)展較短距離后會(huì)被主裂縫吸收、合并，最終沿主裂縫擴(kuò)展路徑留下短毛刺狀的整體裂縫形態(tài)，裂縫數(shù)量及縫網(wǎng)體積較淺層頁(yè)巖顯著降低。

3.5 壓裂液體系及流程變化

深層頁(yè)巖壓裂后，儲(chǔ)層裂縫數(shù)量的減少和裂縫形式的改變(由張性縫過(guò)渡為剪切滑移縫)，必然會(huì)影響壓裂液體系的設(shè)計(jì)和支撐劑的選擇[19]。深層頁(yè)巖壓裂時(shí)將逐漸減少滑溜水的用量，轉(zhuǎn)而采用凝膠+滑溜水+凝膠的配合形式，前后2段凝膠可適當(dāng)選擇不同黏度配方，同時(shí)在支撐劑選擇上，需要加大100目及40(70)目覆膜陶粒用量，尾端追加30(50)目覆膜粉陶，以適應(yīng)高閉合壓力、低裂縫寬度下的支撐劑受力情況。

在埋深超過(guò)5 000 m的頁(yè)巖地層壓裂時(shí)，應(yīng)選擇段塞式、高砂液比、中等規(guī)模改造為主的方式進(jìn)行施工。同時(shí)，也要精細(xì)控制砂液比和壓裂作業(yè)流程，避免施工壓力過(guò)快上升，部分情況下需要適當(dāng)降低預(yù)期壓裂規(guī)模，必要時(shí)可以根據(jù)需要改變淺層頁(yè)巖改造常用的大規(guī)模加砂壓裂設(shè)計(jì)思路。此外，在高閉合應(yīng)力作用下，為了保持裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，可以嘗試不同濃度、段塞式加砂及復(fù)合型支撐劑優(yōu)選的思路，探索通道壓裂的可行性，研究多類型支撐劑配型組合與加砂方式變化，進(jìn)而獲得高應(yīng)力環(huán)境人造縫長(zhǎng)期高導(dǎo)流能力。

4 結(jié)論及建議

(1) 基于系統(tǒng)的巖石力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究了深層頁(yè)巖單軸及三軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、脆性指數(shù)及壓裂效果等巖石力學(xué)特性與淺層頁(yè)巖的差異。深層頁(yè)巖的關(guān)鍵強(qiáng)度、形變及造縫力學(xué)參數(shù)中，屈服強(qiáng)度、膨脹點(diǎn)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量、剪切模量、殘余彈性能、裂縫起裂壓力、轉(zhuǎn)向壓力、分叉難度等均隨埋深(圍壓)的升高而顯著提升；泊松比、脆性指數(shù)、彈性形變能等隨深度(圍壓)的升高而降低；取決于巖石自身礦物組成及咬合特性的力學(xué)參數(shù)，如無(wú)側(cè)限內(nèi)聚力等變化不顯著。

(2) 淺層頁(yè)巖巖樣在低圍壓作用下大多表現(xiàn)出顯著的拉張型脆斷破壞特征，深層頁(yè)巖在高圍壓的側(cè)限作用下，逐漸由拉張型破壞向雙剪破壞及單剪破壞轉(zhuǎn)變。由淺及深，頁(yè)巖的破壞形式變得更加單一，破壞后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、縫網(wǎng)規(guī)模逐漸降低，裂縫類型也由張性縫轉(zhuǎn)變成剪切縫占優(yōu)，從而帶來(lái)裂縫縫寬及長(zhǎng)期導(dǎo)流能力方面的顯著改變。

(3) 深層頁(yè)巖的脆性及壓裂改造能力隨深度的增加而降低，主要原因來(lái)自3個(gè)方面：一是應(yīng)力環(huán)境的改變限制了張性裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展能力；二是裂縫壁面法向正應(yīng)力的增加帶來(lái)了抗剪強(qiáng)度的提升，影響了剪切滑移縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展；三是深層賦存帶來(lái)的頁(yè)巖物性改變(顆粒密度、形狀等)及最大主應(yīng)力的主導(dǎo)作用，限制了裂縫的轉(zhuǎn)向及分叉擴(kuò)展能力。賦存深度限制了深層頁(yè)巖在破裂過(guò)程中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力，進(jìn)而影響頁(yè)巖的脆性和壓裂效果。