應用DIC 研究裂隙分布對層狀復合巖力學特性及變形破壞影響

摘 要： 在儲層壓裂改造時，裂紋常在兩種及以上的復合巖體中擴展，因復合巖巖性不同，會影響到壓裂裂紋的走向和擴展。該文通過對含不同裂隙傾角和位置的復合試樣進行單軸壓縮試驗，探究裂隙分布對復合巖體的力學特性、裂紋擴展及破壞的影響規律。主要結論如下：1）復合完整巖強度主要取決于強度較低的砂巖。2）裂隙分布對巖樣力學性質的影響：3 種裂隙位置的試樣峰值強度隨裂隙傾角增加而增加；在相同角度下，裂隙位于砂巖部分（FS）時劣化作用最強，裂隙位于大理巖部分（FL）時劣化作用最弱；裂隙分布對巖樣破壞的影響：復合裂隙試樣的裂隙位于砂巖時，試樣的破壞主要為張拉破壞；裂隙位于交界面和大理巖時，砂巖部分隨角度變化由拉伸破壞轉變為剪切破壞，表現為“Y”形的破壞模式；裂隙傾角較小更易產生張拉裂紋，傾角較大更易產生剪切裂紋。3）復合裂隙樣的裂隙傾角為0°～60°時，首先在裂隙尖端產生高應變區，隨著加載的進行演變為應變局部化帶，應變局部化帶優先向較軟的砂巖部分擴展。

關鍵詞： 復合巖石; 單裂隙; 單軸壓縮; 裂紋擴展; 數字圖像相關方法

中圖分類號： TB9; TU452 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0191–10

0 引 言

隨著油氣資源開發的推進，主力油氣儲層向非常規儲層過渡，儲層物性變得愈來愈差。因此，需要進行儲層壓裂改造，提高油氣采收率，保障國家能源供給和能源安全。但是，在壓裂改造時，需要在井壁周圍巖石中的指定方位處射孔，可能穿透強度不等的兩種或兩種以上的巖石，即復合巖體。不同種巖體中可能含有裂隙，不僅軟硬交替的復合巖體對壓裂裂紋的走向產生影響，同時出現在不同巖性位置的裂隙在壓裂過程中同樣對壓裂設計產生影響。因此，對不同裂隙分布的復合巖樣的力學特性及變形破壞特征研究具有重要的意義。

近年來，已有部分學者對復合巖體進行研究。杜超超等[1] 采用復合試樣研究高地應力與動力擾動下復合巖層的破壞機理，試驗表明復合試樣層理面和強度低的材料對復合試樣的破壞有控制作用。Yang 等[2] 對類硬巖和類軟巖組成的橫觀各向同性復合類巖材料進行三軸壓縮試驗，揭示了隨著圍壓的增加，硬巖和軟巖材料的力學性能是控制裂縫分布的關鍵。Li 等[3] 對含有水平夾層的復合巖進行單軸壓縮試驗，結果表明，夾層越厚的復合巖石更容易破壞。Liu 等[4] 對不同巖石強度的巖石-煤-巖石復合試樣進行了單軸壓縮試驗，結果表明，復合試樣的強度特性主要取決于強度較小的煤的強度，試樣的破壞模式和變形特征由巖石和煤的彈性模量之間的差異決定。劉永勝等[5] 采用3 種巖石制作不同組合、不同界面傾角的復合試樣，并在酸性條件下養護，在單軸壓縮條件下，酸性環境使復合試樣的強度降低，但當界面傾角增大時，酸性環境的影響減小。

除了室內試驗，部分學者采用模擬軟件對復合巖體進行研究。陳彥安等[6] 使用顆粒流軟件PFC2D 探究共面雙裂隙傾角對試樣力學特性和變形特性的影響，研究表明，隨裂隙傾角的增長，試樣強度表現為先減小后增大。常玉林等[7] 采用PFC2D軟件建立分離式霍普金森壓桿（SHPB）數值模型，模擬結果顯示，復合試樣的裂紋以拉裂紋為主，隨界面傾角的增大，試樣的動態抗壓強度、動態彈性模量先減小后增大。Zhang 等[8] 對煤巖復合體進行模擬單軸壓縮試驗，研究煤體積占比和加載速率對試樣力學特性的影響，結果表明，復合試樣峰值強度隨煤體積占比的增大而降低，隨加載速率的增加而線性增加。Yin 等[9] 利用PFC2D 軟件分析了節理對頂巖-煤-底板巖復合試樣單軸壓縮破壞的影響，結果表明，隨著加載方向與煤體節理面夾角的增大，復合材料試樣的單軸壓縮峰值強度和峰值應變先減小后增大。Ma 等[10] 對煤巖復合試樣的單軸壓縮進行了室內試驗和數值模擬，研究5 種不同的加載速率對試樣力學特性與變形特性的影響，結果表明，隨著加載速率的增加，聲發射累積計數先減小后增大，煤巖復合試樣的總吸收能和耗散能呈非線性增長趨勢。Xie 等[11] 對紅嶺煤礦特大型巷道故障進行了數值模擬，研究結果揭示了巷道揭露煤層的突出和應力變化過程，模擬結果與現場調查結果吻合良好。

綜上所述，國內外專家學者對裂隙巖體及復合巖體進行了大量的室內試驗、數值模擬試驗，研究主要集中于強度較低的軟巖，多為軟弱夾層組成的復合巖體的力學性質和破壞特征研究，尤其是煤巖、泥巖等復合體。而對于復合巖體不同組成部分差異性的變形，以及帶有人為損傷的裂隙復合巖體研究鮮有報道。因此，本文以預制裂隙復合巖體為研究對象，對含有不同裂隙傾角及位置的復合巖體試樣開展靜力試驗，采用DIC 技術對試樣破壞過程中裂紋擴展和變形特征進行觀測，探究裂隙分布對復合巖體的力學特性及變形破壞的影響規律。