劉俊新 ，劉 偉，楊春和，霍 亮

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2.西南科技大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

1 引 言

巖體在動力效應(yīng)下（爆破、巖爆、動載）與其在靜力條件下（蠕變、構(gòu)造運(yùn)動）的力學(xué)特性具有極大的差異，這在唯象學(xué)上主要表現(xiàn)為力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度等）的不同，而其力學(xué)機(jī)制卻反映了巖石內(nèi)部在不同變形及加載速率下能量吸收/釋放、微破裂孕育演化的響應(yīng)特征。因此，時間尺度效應(yīng)一定程度上反映了巖石本質(zhì)屬性的差異，認(rèn)清這些特征，對于不同時間尺度下的工程建設(shè)、災(zāi)害治理及能源開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

巖體的時間效應(yīng)，一般通過應(yīng)變速率試驗加以研究，近年來，關(guān)于巖石應(yīng)變速率方面的研究一直處于積極的探索之中，并已取得了一些有益的研究成果。朱瑞賡等[1]開展了不同加載速率下的花崗巖力學(xué)試驗，揭示了其強(qiáng)度隨加載速率變化的規(guī)律，并建立了適用于花崗巖一類硬脆巖石的動力破壞判據(jù)。李永盛等[2]研究了紅砂巖在9 級不同加載速率下的力學(xué)特征，系統(tǒng)地分析了不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度、彈性模量、峰后等特性，同時給出了實測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式。Liang 等[3]開展了兩種鹽巖的單軸應(yīng)變率試驗研究，重點從能量角度探討了鹽巖軟巖的應(yīng)變率效應(yīng)特征及其對溶腔穩(wěn)定性的影響。紀(jì)文棟等[4]開展了不同應(yīng)變率、不同圍壓下鹽巖的三軸壓縮試驗，從破裂形態(tài)、強(qiáng)度及變形特性角度揭示了在圍壓與應(yīng)變率耦合效應(yīng)下鹽巖的力學(xué)特征，重點剖析了不同應(yīng)變速率下鹽巖裂紋的演化規(guī)律。張連英等[5]開展了200 ℃的高溫下石灰?guī)r的應(yīng)變率特性研究，指出了高溫應(yīng)變速率下巖石破裂特征與常溫條件下的異同。周輝等[6]開展了深部大理巖在不同應(yīng)變率的單軸拉伸試驗，并從斷口形貌學(xué)角度揭示了不同應(yīng)變率下破裂差異的微觀機(jī)制，為應(yīng)變率研究開辟了新思路。

隨著全球原油漲價以及能源危機(jī)加劇，以往僅作為蓋層的頁巖/泥頁巖逐漸引起世界的關(guān)注。我國主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為15×104～30×104億m3，與美國28.2×104億m3大致相當(dāng)，具有極大經(jīng)濟(jì)的潛力[7]，因此，頁巖氣一直被譽(yù)為可取代傳統(tǒng)油氣資源的最為重要的非常規(guī)能源。美國于2000年左右便實現(xiàn)了頁巖氣的工業(yè)開采，從此拉開了大力開發(fā)頁巖氣的序幕。與此同時，頁巖中不但含氣、也含有液態(tài)石油，頁巖油探明儲量約為傳統(tǒng)石油的1.5 倍[8]，因此美國目前在不放棄頁巖氣大力開采的前提下也將一部分開發(fā)重心轉(zhuǎn)移到頁巖油的開發(fā)利用上。基于當(dāng)前的國際背景，國家在“十二五”規(guī)劃中明確提出將頁巖作為一種特殊的獨立礦種，并要求大力加強(qiáng)對頁巖油氣資源的研究與開發(fā)[9]。

我國目前對頁巖的研究主要以開發(fā)頁巖氣為首要方向。頁巖具有低滲透、低孔隙度、結(jié)構(gòu)致密的特征，需要采用水力分段壓裂一類人工造縫技術(shù)才能使得賦存于微小孔洞中的天然氣流入井筒，進(jìn)而實現(xiàn)工業(yè)開采[10]。一般頁巖氣井需要經(jīng)過一次或多次反復(fù)、分段壓裂才能逐漸實現(xiàn)增產(chǎn)增效目的，且頁巖氣井作業(yè)周期長達(dá)數(shù)十年[11]。因此，頁巖在壓裂、開采等各個環(huán)節(jié)需要充分考慮頁巖力學(xué)性質(zhì)的時間特征。壓裂的排量、速率都決定了產(chǎn)量和開采壽命，探明頁巖在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng)，就顯得至關(guān)重要。

針對頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)的研究成果非常缺乏，國外僅見Chong 等[12]提到過油頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)研究。國內(nèi)僅有陳勉等[13]、王倩等[14]開展過頁巖的常規(guī)單三軸力學(xué)特性研究，頁巖的應(yīng)變率效應(yīng)是亟待開展的科研課題。本研究采用地表一定深度下的新鮮頁巖試樣，開展了不同應(yīng)變速率下的單軸壓縮力學(xué)試驗，分析了彈性模量、峰值強(qiáng)度、破裂方式等對不同應(yīng)變速率的響應(yīng)特征，重點揭示了不同應(yīng)變率下的破裂特征，最后結(jié)合頁巖氣開發(fā)的相關(guān)背景開展了關(guān)于應(yīng)用的探索與討論。研究結(jié)果可為進(jìn)一步認(rèn)清頁巖的破碎和壓裂特征提供有益參考。

2 試驗介紹

2.1 試樣準(zhǔn)備

試樣均取自重慶市武隆縣江口鎮(zhèn)地表露頭剛開挖的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，通過對該區(qū)段頁巖的埋藏深度、厚度、有機(jī)碳含量、頁巖氣含量以及脆度的綜合評判表明，該區(qū)段為頁巖氣勘探有利區(qū)段[15]，在現(xiàn)場鉆取直徑49 mm 的長柱巖芯，然后迅速擦干蠟封編號，運(yùn)至實驗室妥善保管。待用試樣時，選取從同一位置所取的巖芯進(jìn)行加工。頁巖屬于典型層狀巖體、層理較易裂開，為避免水力切割后造成節(jié)理失水開裂，試樣均手工加工制得：首先，利用鋼鋸切出長度102 mm 左右的試樣，然后，利用專用夾具配合細(xì)砂紙分步打磨直至形成符合試驗規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

本次試驗所用試樣的層理方向均為水平方向。為對試樣有更深入地了解，加工試樣中收集了巖芯粉末，用于開展成分分析。X-射線衍射分析（XRD）結(jié)果顯示，各組分含量平均為：石英49.48%，鈉長石13.93%，伊利石12.97%，黃鐵礦13.17%，方解石6.32%，綠泥石-蛇紋石2.22%，鐵白云石1.91%，成分組成如圖1 所示餅狀圖。為避免試樣本身差異過大，使得其本身力學(xué)特性的偏差覆蓋了應(yīng)變率的偏差，對所用試樣同時測定了密度、縱波速度2 個參數(shù)，剔除了具有明顯偏離的試樣，此外還剔除了有缺口、殘缺、礦脈充填的試樣。試樣有關(guān)信息見表1。

圖1 頁巖成分組成餅狀圖（XRD）Fig.1 Pie chart of the shale compositions(XRD)

2.2 試樣方案

周維恒[16]對動、靜加載的定義為：當(dāng)加載速率（應(yīng)變率）在10-4～10-6s-1的范圍內(nèi)時，認(rèn)為靜態(tài)加載；當(dāng)加載速率高于10-4s-1時，則為動態(tài)加載。本文暫不涉及頁巖動力特性研究，故所設(shè)計的應(yīng)變加載速率均不高于10-4s-1。本次頁巖單軸壓縮應(yīng)變速率試驗在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的RMT-150B 巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上開展，該試驗系統(tǒng)的框架整體剛度達(dá)5.0×109N/m，加載應(yīng)變率范圍為10-2～10-6s-1，軸向位移采用一個量程為5 mm 的LVDT，環(huán)向變形采用2 個量程為2.5 mm 的LVDT，軸向荷載采用1 000 kN 的力傳感器測量。試驗過程中系統(tǒng)可自動采集記錄試樣的軸向載荷、軸向及環(huán)向位移，加載方式采用位移控制模式，本次頁巖壓縮試驗設(shè)計的應(yīng)變速率分別為5×10-4、1×10-4、1×10-5、1×10-6s-1，每級應(yīng)變速率試驗針對3 塊試樣開展。每塊試樣的試驗參數(shù)見 表1，其中為應(yīng)變速率。

表1 試樣信息及試驗方案Table 1 Petrophysical information of the samples and testing plan

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

通過對單軸壓縮試驗記錄的荷載、位移數(shù)據(jù)整理和分析，求得泥頁巖在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€，并繪制于圖2（1142-31 指向與-19重合）。為確保試驗曲線的代表性，針對每組曲線，選取了基本位于平均值附近的那一條曲線并繪制在一起。對于其他試樣的試驗結(jié)果，表2 中給出了所有相關(guān)參數(shù)的試驗結(jié)果4 個主要力學(xué)指標(biāo)參數(shù)。

圖2 4 種不同應(yīng)變率的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)糖€Fig.2 The entire stress-strain curves under four different strain-rates

表2 不同應(yīng)變速率下單軸壓縮試驗結(jié)果Table 2 Uniaxial compression results under different strain-rates

由圖2 可見，4 種不同應(yīng)變速率下頁巖試樣的壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段及峰后脆性破壞階段均較為明顯。頁巖屬于典型的沉積類層狀巖體，由于沉積差異性，在層面一般有微孔隙、微裂隙、細(xì)小層理等微缺陷的存在，且本次所取試樣位于地表附近，相對于深部受高壓狀態(tài)的頁巖，應(yīng)力卸載效應(yīng)更加顯著，因此，試驗中出現(xiàn)了較為明顯的壓密階段。一方面證明了巖芯層理中微缺陷的存在，另一方面也說明地表巖芯與深部地層頁巖仍存在一定差異[13]。通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的匯總分析還可以看出，應(yīng)變速率越低、壓縮變形階段越明顯、其所占總應(yīng)變的比例也更大，因為當(dāng)應(yīng)變速率越低時，發(fā)生變形的反應(yīng)時間越充分；在較高的應(yīng)變速率下巖體尚來不及發(fā)生塑性變形，較高的應(yīng)力速率已經(jīng)迫使巖體進(jìn)入下一階段的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)之中，高應(yīng)變速率下壓縮變形階段即迅速地結(jié)束，很快進(jìn)入彈性階段。頁巖屬于硬脆性巖石，從筆者所參與過的大量頁巖力學(xué)試驗來看，頁巖所具備的彈性特性均較為明顯，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的直線上升段。由圖1 還可見，當(dāng)該直線階段（彈性階段）持續(xù)到約超過峰值強(qiáng)度1/2 以后，曲線才逐漸發(fā)生微微偏轉(zhuǎn)、斜率略微有所下降的現(xiàn)象，也表明此時試樣內(nèi)部微裂紋開始漸漸萌生、擴(kuò)展，逐步弱化試樣的剛度，但其程度仍遠(yuǎn)不及導(dǎo)致形成貫通型宏觀裂紋的狀態(tài)，表現(xiàn)為其剛度的下降并不如軟巖一般顯著，而是緩慢地下降到峰值處，然后發(fā)生突然的脆性斷裂。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，峰值點附近部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)局部波動起伏，該現(xiàn)象在應(yīng)變率越低時越明顯。這種峰值附近應(yīng)力波動的現(xiàn)象在層狀巖體中時有發(fā)生，其原因應(yīng)該是發(fā)生局部破壞后的結(jié)構(gòu)自我調(diào)整，致使自身剛度和穩(wěn)定性得到一定程度的恢復(fù)。很顯然，應(yīng)變速率越低，自身調(diào)整的時間越充分，繼而出現(xiàn)應(yīng)力下降又上升的現(xiàn)象也越明顯、波動起伏的次數(shù)也可能越多。整體而言，無論應(yīng)變速率高低，峰后應(yīng)力都迅速跌落，脆性破壞特征極為顯著，且所有試樣的殘余強(qiáng)度幾乎都為0。

3.2 破裂特征分析

較高應(yīng)變速率下應(yīng)力迅速達(dá)到峰值，且發(fā)生劇烈破壞，并伴隨較大轟響，巖芯也在瞬間被劈裂成較大的豎直片狀碎塊，斷面上有粉體狀物質(zhì)出現(xiàn)，說明破壞前斷面發(fā)生過劇烈的摩擦。局部傾斜斷口有明顯撕裂痕跡，說明這些部位是被強(qiáng)行剪切破壞造成，表明在較高應(yīng)變率下巖芯的破壞可能并非完全遵循于微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通，然后形成宏觀裂紋這種經(jīng)典模式。在快速加載作用下發(fā)生強(qiáng)力破壞，裂紋之間根本沒有足夠的時間萌生和貫通，試樣內(nèi)部應(yīng)力因此（來不及）隨著裂紋萌生擴(kuò)展而重新分布，只能迅速到達(dá)巖芯的強(qiáng)度，進(jìn)而引起急劇破壞。此外觀察也發(fā)現(xiàn)，裂紋是從上端面開始（軸壓活塞從上往下加載）而后迅速引起整個試樣的破壞，傾斜斷面只是一般發(fā)生在試樣的下半部分。

隨著應(yīng)變速率的降低，破壞也逐漸變得溫和可控，試樣不再碎成片塊狀；當(dāng)達(dá)到較低應(yīng)變率時，可以明顯觀察到試樣表面裂紋逐漸形成與貫通，直到峰后脆性破壞，但試樣仍未散落。這也是極易理解的，較低應(yīng)變速率下試樣的變形與裂紋發(fā)展有足夠的反應(yīng)時間，巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生局部破壞之后，也有充分的時間進(jìn)行自由結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)而使得整體上的破壞顯得較為均勻。試驗后發(fā)現(xiàn)：應(yīng)變速率越低，斷面上出現(xiàn)的粉末越少，剪切型傾斜斷面也越少。當(dāng)應(yīng)變率位于1×10-4s-1時，破壞以劈裂為主，但局部也產(chǎn)生剪切破壞，例如試樣1142-23：側(cè)面被劈裂成多塊豎直片塊，但一端出現(xiàn)明顯的對頂錐破裂面。當(dāng)應(yīng)變率進(jìn)一步下降到1×10-5s-1時，破壞變得更加緩和，試樣側(cè)面出現(xiàn)多條劈裂縫，裂紋從上端發(fā)展到下端時也出現(xiàn)傾斜的情形，表現(xiàn)為一定的剪切破裂性質(zhì)。隨著應(yīng)變率的進(jìn)一步降低（達(dá)到1×10-6s-1），試樣被多條縱向劈裂縫覆蓋，橫向裂紋的數(shù)量也隨之逐漸增加。

整體而言，較高應(yīng)變速率下巖體的破壞仍以單一的劈裂為主，破壞后主要碎裂成豎向的片塊，局部傾斜破壞斷面是峰后形成，與片塊之間的相互作用有關(guān)，其作用機(jī)制類似于相連壓桿失穩(wěn)。隨著應(yīng)變率地下降，試樣雖仍以劈裂破壞為主，但局部也伴隨剪切破裂面的出現(xiàn)，且橫向裂紋也隨著應(yīng)變速率的下降而逐漸增多，即破壞之后試樣成為由較多縱橫裂紋交錯切割的裂紋網(wǎng)體系。賈長貴等[17]指出，90°傾角的頁巖在單軸壓縮下（與本文頁巖層理方向相同）以剪切-劈裂破壞為主，與本文所處應(yīng)變率為1×10-4～1×10-5s-1的破裂結(jié)果相近，而0°傾角的頁巖則以劈裂破壞為主，與本文應(yīng)變速率為1×10-4s-1時的結(jié)果較為相近。賈長貴等的研究結(jié)果表明，頁巖是一種典型的橫觀各向同性材料，傾角是影響其力學(xué)特性的重要因素。本文的研究也認(rèn)為應(yīng)變率對破裂特征的影響非常明顯，從破裂形態(tài)而言，其影響不亞于傾角的影響，因此僅從傾角方面是難以全面準(zhǔn)確地揭示頁巖的力學(xué)特征。

圖3為4 種不同應(yīng)變速率下頁巖試樣破壞后的照片及破裂形態(tài)側(cè)面展開圖。1142-18和1142-23已經(jīng)破裂，無法繪制素描圖，而1142-36和1142-33結(jié)構(gòu)尚未潰散，但其橫向裂紋較為細(xì)小，僅從照片中難以識別，故添加了線條繪制其縱橫裂紋并將半圓弧作了側(cè)面展開，可以幫助了解其詳盡的縱橫網(wǎng)狀裂紋分布情形。從圖中也可看出，應(yīng)變速率對頁巖的破裂方式的影響是非常顯著的。

圖3 不同應(yīng)變速率下的破壞形態(tài)及示意圖Fig.3 Fracture morphologies and sketches under different strain rates

需要指出的是，通過壓裂實現(xiàn)頁巖氣開采，目標(biāo)是就是通過合理的壓裂工藝（水平壓裂、分段壓裂）使頁巖儲集層中產(chǎn)生縱橫交錯的密集裂紋網(wǎng)。而本次頁巖的應(yīng)變速率試驗顯示，加載速率對裂紋的破裂方式具有重要影響。因此，密切關(guān)注頁巖不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度及破損特征，不僅對探明其力學(xué)特性有重要意義，而且對工業(yè)增產(chǎn)、增效具有潛在的重要應(yīng)用價值。

4 不同應(yīng)變率力學(xué)特征分析

應(yīng)變速率反映了巖體對于加載條件的力學(xué)響應(yīng)特征。較快速的動力響應(yīng)一般更為劇烈、突然、并伴隨巨大的能量釋放，如巖爆、爆破、沖擊荷載，靜力響應(yīng)則一般較為平緩、持續(xù)時間長，例如，軟巖的蠕變等。對于時間尺度下的力學(xué)響應(yīng)特征，其所試用的本構(gòu)關(guān)系及破裂判據(jù)一般也有所區(qū)別[18]。本文涉及的應(yīng)變率≤5×10-4s-1，尚屬于準(zhǔn)靜態(tài)范疇。而頁巖氣/油在開發(fā)過程中，壓裂的時間較短，一般持續(xù)時間幾小時乃至幾天，但頁巖氣井具有長壽命的特征，國外有人預(yù)測某些頁巖氣井的壽命可長達(dá)80年[8]，因此，研究從10-4～10-6s-1的頁巖應(yīng)變率效應(yīng)更有工程背景意義，也啟示筆者在以后的研究中應(yīng)該包含更廣泛的應(yīng)變速率。

應(yīng)變率效應(yīng)中彈性模量和峰值強(qiáng)度是影響最為重要的2 個表征指標(biāo)，也是壓裂方案設(shè)計時必須充分考慮的力學(xué)參數(shù)。考慮應(yīng)變速率對頁巖的物理力學(xué)參數(shù)的影響，具有重要的使用價值。以下對此展開詳細(xì)論述。

（1）彈性模量

僅從應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較難看出應(yīng)變速率的顯著影響，將應(yīng)變速率與彈性模量繪制在同一圖中時有助于發(fā)現(xiàn)兩者的相互關(guān)聯(lián)。由于應(yīng)變速率區(qū)間跳躍較大，為了便于觀察對應(yīng)變率采用負(fù)對數(shù)坐標(biāo)，其坐標(biāo)值越大，表示應(yīng)變率越低。從圖4 可見，應(yīng)變率負(fù)對數(shù)與彈性模量存在較為顯著的相關(guān)關(guān)系，即隨著應(yīng)變率的逐漸降低，彈性模量呈下降趨勢，但下降的速度逐漸變緩，整個應(yīng)變率范圍內(nèi)彈性模量下降程度約為31.3%。通過擬合關(guān)系發(fā)現(xiàn)，可用指數(shù)函數(shù)來表征兩者之間的關(guān)系：

式中：E為彈性模量，由應(yīng)力-應(yīng)變彈性段計算獲??；vt為應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)，等于-l g()。

圖4 彈性模量與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship of elastic modulus versus minus logarithm of strain rate

由圖4 可見，彈性模量隨著加載速率下降而緩慢降低，表明加載速率對巖體具有一定的強(qiáng)化效應(yīng)。一般而言，加載速率越低，彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢，與李永盛等[2]的研究成果較為接近。很明顯，加載速率越高巖體的變形越滯后于應(yīng)力，將導(dǎo)致部分變形來不及發(fā)生則應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到較大的值，進(jìn)而表現(xiàn)出更高的彈性參數(shù)。

（2）峰值應(yīng)力

圖5為峰值強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的關(guān)系曲線。采用相同的處理方法，應(yīng)變率取負(fù)對數(shù)。16 塊試樣之間的強(qiáng)度差異不大，單獨分析難以找出較為明顯的規(guī)律，但其整體趨勢較為明顯，即應(yīng)變率越低，峰值強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢。由圖5 可見，峰值強(qiáng)度隨著應(yīng)變率增加呈緩慢下降趨勢，在整個區(qū)間下降的幅度為20.4%，其幅度低于彈性模量的下降范圍，表明應(yīng)變率對彈性模量的影響更顯著。

對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，也較為符合冪函數(shù)關(guān)系：

式中：RC為單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；vt=-lg()，應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)。

圖5 應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)與峰值強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Relationship of minus logarithm of strain rate versus peak strength

綜上可知，巖體屬于典型的非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性介質(zhì)。盡管在試樣選取時盡量排除各種可能的干擾因素，以使試樣之間的差異降到最低，但也難以找到兩塊完全相同的巖樣，仍需要開展大量的、重復(fù)的試驗，才能更好地找到其符合統(tǒng)計意義上的規(guī)律。限于各種原因，本次試樣采用的試樣數(shù)量僅有16 塊，其統(tǒng)計的樣本仍然較小，擬合數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)的擬合度不高。為了進(jìn)一步分析巖樣的應(yīng)變率特征，本次對每組試驗數(shù)據(jù)先求平均值，再用相同的公式進(jìn)行擬合，得到關(guān)于彈性模量、峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系，如圖6、7 所示。采用平均值進(jìn)行擬合時發(fā)現(xiàn)擬合度均超過0.9 時，峰值強(qiáng)度的擬合度還達(dá)到了0.99，說明頁巖應(yīng)變速率對彈性模量和峰值強(qiáng)度的影響基本上符合本文給定的關(guān)系。當(dāng)然，本文所取的應(yīng)變率間隔較大，樣本較少，在今后的試驗中還需減小應(yīng)變率間隔、增加試樣數(shù)量，進(jìn)一步揭示應(yīng)變率對頁巖力學(xué)特性的影響。此外，由采用平均值擬合的結(jié)果可以得到啟發(fā)，對于諸如應(yīng)變率這類較為符合統(tǒng)計規(guī)律的研究課題，開展大量的試驗，從統(tǒng)計學(xué)的角度來進(jìn)行力學(xué)特性的研究是必須的，也是必要的。

圖6 彈性模量平均值與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship of minus logarithm of strain rate versus mean elastic modulus

5 討論與應(yīng)用

應(yīng)變速率對強(qiáng)度特征如峰值強(qiáng)度、彈性模量的影響較為顯著，對于確定頁巖的基本力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而為水力壓裂方案提供可靠的技術(shù)參數(shù)具有重要的實用意義。在頁巖氣的開發(fā)中，更為關(guān)注的是頁巖的破裂特征對壓裂增產(chǎn)具有顯著影響。頁巖屬于生、儲、蓋自成一體的特殊儲集層，其結(jié)構(gòu)致密、滲透率低、微細(xì)孔隙發(fā)育，正因為如此，在以往頁巖一直作為蓋層而未被引起足夠重視。而隨著人類對于能源的需求增加，而常規(guī)油氣資源又逐漸開采殆盡，才不得不把目光轉(zhuǎn)移至難以開采的頁巖氣上來。頁巖壓裂工藝的目的是使頁巖儲層內(nèi)部產(chǎn)生人造裂紋，以使內(nèi)部微小孔洞中的天然氣能夠通過人為誘導(dǎo)裂縫流入井筒。

顯然，開采的最佳目標(biāo)是使頁巖中形成縱橫交錯、密密麻麻分布的裂紋網(wǎng)，裂紋的密度直接決定了氣井的產(chǎn)量和壽命。以往的研究主要將頁巖作為一種橫觀各向同性介質(zhì)，較多地關(guān)注角度對裂紋網(wǎng)形成的影響、關(guān)注不同方向的力學(xué)性質(zhì)的差異，尤其關(guān)注于水平和豎直方向的斷裂韌性的差異。從已有成果來看，一般認(rèn)為，層理方向比垂直層理方向更容易開裂起縫[13-14,17]，而鮮有加載應(yīng)變速率對頁巖破損特征及壓裂特性的報道。本文研究結(jié)果表明，應(yīng)變率越低形成縱橫裂紋的可能性也越大，因為低應(yīng)變率加載能有效促使能量均勻而緩慢地作用于巖石的破碎，使裂紋能夠相互溝通和串聯(lián)。較高應(yīng)變率雖然也能造成巖體的破壞，但均形成較大的塊體，且有較多的能量已經(jīng)轉(zhuǎn)換為動能做功、最終耗散，一定程度上降低了能量使用率。雖然水力壓裂下實際地層的應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)比單軸壓縮復(fù)雜，但作為相同的頁巖，即使是最為簡單的單向應(yīng)力狀態(tài)，其物理性質(zhì)也在一定程度揭示其可能的應(yīng)力響應(yīng)模式，更是進(jìn)一步開展試驗的研究基礎(chǔ)。筆者據(jù)此作出大膽假設(shè)：采用水力壓裂時，壓裂的速率對最終的壓裂效果必然存在影響，而且很可能遵從本文不同應(yīng)變速率下的破裂模式，即較高速率的壓裂會使儲層很快開裂，但形成的是一些大的、數(shù)量有限的裂縫。較低速率下的壓裂則很有可能讓儲層中形成更加細(xì)小、但數(shù)量更多、連通性更好的網(wǎng)狀裂紋。

需要特別指出的是，頁巖是一種典型的橫觀各向同性介質(zhì)，正如賈長貴等[17]認(rèn)為，角度對頁巖的力學(xué)特性具有重要影響。本次中僅僅選取了水平層理的試樣進(jìn)行試驗，即便如此，考慮到我國頁巖研究及頁巖氣的開發(fā)尚處于起步階段，本文作為一項積極的探索和嘗試，已表明頁巖屬于一種具有較強(qiáng)應(yīng)變速率的巖體，在彈性模量和峰值強(qiáng)度上均表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的應(yīng)變率效應(yīng)，破裂形態(tài)上更是受到應(yīng)變速率的顯著影響。

6 結(jié) 論

（1）頁巖屬于典型的脆性巖體，具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。不同應(yīng)變速率下頁巖的壓密階段、彈性參數(shù)和破裂方式均表現(xiàn)出較明顯差異。

（2）不同應(yīng)變速率下破裂方式差別較大，具體表現(xiàn)為較高應(yīng)變率下以劈裂成大塊為主，隨應(yīng)變率降低，逐漸過渡為“劈裂-剪切”破壞，而在較低應(yīng)變率時，試樣呈現(xiàn)縱橫裂紋交錯的破裂形態(tài)。

（3）彈性模量和峰值強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的下降而下降，但下降的速度逐漸放緩，應(yīng)變速率對頁巖表現(xiàn)一定的強(qiáng)化效應(yīng)。2 個參數(shù)的平均值與應(yīng)變速率負(fù)對數(shù)都比較符合冪函數(shù)的關(guān)系，且彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)更明顯。

（4）較低應(yīng)變率下頁巖破裂后形成縱橫分布的裂紋網(wǎng)，較低的壓裂速率可能有助于在儲層中形成縱橫交錯、細(xì)小密集的裂紋網(wǎng)。

應(yīng)變率對頁巖的力學(xué)特性的影響是不可忽略的，其重要性可能僅次于傾角的影響。因此，在以后的工作中，還會進(jìn)一步加強(qiáng)不同傾角、不同應(yīng)力狀態(tài)（三軸壓縮、壓裂）以及更多應(yīng)變速率的試驗研究。

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