页岩储层的岩石力学特性
第2章岩石力学性质与分级
类别 钎刃磨钝宽度（mm）
磨蚀性
表2-6 岩石磨蚀性分级
1 ＜0.2
弱
2 0.3~0.6
中
3 ＞0.7
强
2.3.2 按点载荷强度进行可钻性分级
点载荷试验是国际岩石力学学会（ISRM）试验委员会推荐的一种便 携式测量方法。点载荷试验是将试样置于试验机的两个压头之间，逐渐 加载，使试样破坏，再用下式求得点载荷强度：
2
3
式中:V—岩石爆破漏斗体积，m3 ； K1—大块率（＞30 cm），% ； K2—平均合格率，%； K3—小块率（＜5 cm），% ； (ρ C)—岩体波阻抗，KPa ； e—自然对数之底。
表2-4 岩石爆破性分级表
级别 爆破性指数 N 爆破性程度
代表性岩石
Ⅰ Ⅰ1 Ⅰ2
<29 29.001~38
表2-2 几种岩石动、静载强度试验结果
2.2 岩石凿岩爆破性的判据和分级
岩石分级是按照岩石作业工艺，从量上分别对岩石进行分级，为设计、 生产、管理和研究部门提供科学依据。
2.2.1 普式岩石坚固性分级
早在1926年前，普氏提出了用岩石试块七项指标的平均值来表征岩石 的坚固性。发展到现在还有一个指标——岩石试块的静载极限抗压强度有意 义,但单位由原来的公斤米制变为牛米制，所以现在的普氏岩石坚固性分级 实质已经不是原来普氏的分级，而是岩石单轴抗压强度（牛米制单位）的换 算值，即普氏系数 f。根据 f值将岩石分为10级， f值大，则难钻岩、难爆 破、岩石稳定，反之， f值小，则易钻岩、易爆破、岩石不稳定。
图2-1 岩石凿测器 1-钎头；2-承击台；3-插销；4-导向杆；5-落锤；
6-△形环；7-操作绳；8-导杆顶；9-转动把手
（1）凿碎比功 凿碎比功是指凿碎单位体积岩石所消耗的功，其值按下式计算：
第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展
页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展金衍;程万;陈勉【摘要】页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平井分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.【期刊名称】《力学与实践》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】9页(P1-9)【关键词】水力压裂;数值模拟;页岩气;分段压裂【作者】金衍;程万;陈勉【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE371页岩气是一种产自极低孔渗、富含有机质页岩储集系统中的非常规天然气［1］.开发此类非常规油气资源需要大规模的储层改造.以滑溜水压裂液为主的水平井分段压裂技术已在国内外页岩气藏开发中得到广泛应用，并取得了较为乐观的经济效益.区别于相对较为均质的砂岩地层，页岩地层的岩石力学特征的复杂性使得水力裂缝扩展路径变得更为复杂.水平井多级水力裂缝间的应力干扰又使得传统的水力裂缝数学模型无法准确地模拟出水力裂缝的几何形态.鉴于此，本文综述了近几年来页岩气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟技术的研究进展.微地震技术及井下成像技术和井下页岩岩芯已经证实页岩气地层中常发育复杂的裂缝［25］.层理发育是页岩气储层的一个明显的特征，其胶结强度往往低于层内岩石的胶结强度，它与天然裂缝面一起构成了岩石中的弱胶结面［67］（“弱面”）.大量的室内水力压裂实验已经证明，弱面是影响水力裂缝扩展路径的关键因素［45，7］.页岩弹性各向异性特征［810］，使得页岩水力裂缝宽度也因此而变得比各向同性条件下复杂.受沉积方向和压实作用的影响，页岩被认为是横观各向同性的.不同岩层的岩性往往是不同的，其弹性力学参数因此迥异，多套地层在整体上常表现出弹性非均质性.地层间弹性参数的差异性通常会影响到水力裂缝宽度，断裂韧性的差异性则会出现限制缝高［11］、遮挡裂缝的可能性.页岩气储层改造是以提高改造的储层体积为主要目的的改造方式，旨在页岩气储集层中产生人工裂缝网络.为了增加水力裂缝在页岩气储层中的有效接触面积，在水平井中常需采用多级压裂技术，也称为分段压裂，如图1所示.每一个压裂段又含有多个射孔簇，在理想条件下，每个射孔簇能形成一条裂缝［1215］.多级压裂［16］主要应用在具有长水平段的水平井中，按压裂的先后顺序分为次序压裂（图1）、交错压裂（图2）和同步压裂（图3）.水平井次序压裂是指从水平井的趾端到跟段依次进行分段分簇压裂，如图 1所示.水平井交错分段压裂是指压裂顺序不严格按照从井底到井口的顺序进行压裂.这种压裂方式有增加储层沟通体积的可能性，但由于当前的井下工具不能够实施交错压裂，使得这种压裂方式尚未有现场应用.同步压裂是指对相邻两口及两口以上的水平井采用2套甚至多套车组同时压裂施工，以期利用压裂影响地应力场，形成更为复杂的裂缝网络.当页岩气井井筒密集时，通过对多口井进行同步压裂，能够获得比次序压裂更好的效果. 目前，以最大化采收率或者最快的采油速度为目的的页岩气井完井设计常需考虑以下几个因素：水力裂缝的优势扩展方向和井筒方位［17］；每个射孔簇的破裂压力，力争每簇能产出一个主裂缝，从而最大化裂缝复杂程度；同井或邻井裂缝间的应力干扰强度［1819］；同步压裂技术能否适合该地层，能否增加产气量［2021］.页岩气储层水力压裂数值模拟是围绕图1～图3所示的工艺技术开展的数值研究，目的是为了在储层压裂施工前能够设计和优化裂缝网络，从而为高效开发提供理论依据.水力压裂力学本质上可以概括为4个基本力学过程的耦合：储层岩石在流体压力的作用下发生断裂，形成裂缝通道；压裂液在裂缝通道中流动，并传递流体压力到地层深处；流体垂直于壁面的渗流；支撑剂在裂缝内部的运移.针对这4个力学过程，下文将着重论述模拟水力裂缝常用的3类数值方法：扩展有限元、离散元、边界元.3.1 扩展有限元（extended finite element method，XFEM）扩展有限元是以传统有限元的理论为框架，其核心思想是用扩充带有不连续性质的形函数来代表计算区域内的间断，不连续场的描述完全独立于网格边界，处理断裂问题有较好的优越性.利用扩展有限元，可以方便地模拟裂纹的任意路径［2223］，可以克服边界元模拟裂缝增长之后重新划分网格的局限性［2428］.盛茂等［29］基于扩展有限元模拟水力压裂，采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展以及扩展方向.曾青冬等［30］考虑裂缝内流体流动和周围岩石应力变形，建立了页岩水力裂缝扩展的数学模型，分别采用有限元和扩展有限元求解裂缝流场和岩石应力场，并通过Picard迭代方法耦合求解.Mohammadnejad等［31］将扩展有限元应用于多孔介质中的水力压裂模拟.Arash［3234］采用扩展有限元方法模拟了水力裂缝在裂缝性油藏中的扩展行为，如图4所示.他忽略了压裂液沿着裂缝壁面的滤失，着重考虑了闭合天然裂缝的内聚力、岩石基质的断裂韧性、天然裂缝的几何形状对水力裂缝扩展路径的影响.系统地研究了水力裂缝与天然裂缝交叉前、交叉中、交叉后的天然裂缝的变形规律，以及裂缝形态与缝内压力的关系曲线，并将其与经典的KGD模型［35］进行对比.他指出，在某些条件下，闭合的天然裂缝在水力裂缝到达之前可能张开或滑移；某些条件下，闭合的天然裂缝不受水力裂缝的影响.Keshavarzi等［36］也采用扩展有限元方法模拟了水力裂缝在非常规油气藏中的扩展，得出了与 Arash［3234］相似的结果.他指出：水力裂缝沟通天然裂缝之前和之后都会发生偏移；原地应力场和天然裂缝的方向是影响交叉行为的主控因素.水力裂缝净液压力增加，可以减小水力裂缝的偏转.原水平应力差越小，水力裂缝越容易在沟通天然裂缝之前就发生偏转.在高逼近角时，水力裂缝可能同时张开天然裂缝和穿透天然裂缝，这主要依赖于水平应力差的大小.Fu等［37］在Arash［3234］和 Keshavarzi等［36］的研究基础上，将单条水力裂缝与单条天然裂缝的干扰行为扩展到单条水力裂缝与离散的天然裂缝网络的干扰行为.Fu等［37］考虑了天然裂缝与水力裂缝的应力干扰和离散裂缝网络中的流体动力学，在天然裂缝网络地层中模拟水力裂缝的扩展. 3.2 离散元（discrete element method，DEM）有关水力压裂模拟的研究可以大体分两大类：宏观和细观.宏观类的裂缝模型已经广泛地应用于石油工程水力压裂，裂缝因为缝内流体压力的驱动而发生增长，其相应的数学模型虽然复杂但计算速度快.与之相反，细观类的裂缝模型则是依据描述岩体颗粒与流体的相互作用，以数目巨大的离散单元来描述整个岩体，流体在颗粒或岩块间的流动来表达水力压裂的过程.基于离散元的水力压裂模拟可以在一定程度上反映出岩石在被压裂的过程中发生的情况：是剪切断裂还是张性断裂，适用于细观尺度上的机理研究.但是，对于油田尺度的水力压裂设计，基于离散元的水力压裂模型需要大量的单元，对计算机要求高，耗时很长，所得结果也并非直观上的水力裂缝.3.2.1 颗粒流程序（particle flow code，PFC）PFC［38］以点接触胶结的颗粒（二维为圆盘，三维为球）为基本单元，能模拟岩石中非连续面的一种数值模拟方法.PFC模拟水力压裂是在其颗粒间考虑流体压力而产生的键断裂，从而形成微裂缝，进而形成宏观尺度的水力裂缝［39］.PFC建模时可以先建立离散裂缝网络，再设置流体注入点，这使得水力裂缝不仅包括岩石颗粒间新生的裂缝，也包括了已存裂缝的剪切滑动扩展［40］.然而，PFC的基本假设就存在 3大缺陷：（1）颗粒间的力学参数如何与岩石的宏观参数对应；（2）PFC数值岩心代表了多大尺寸的实际岩石；（3）球形和圆盘形颗粒难以真实反映具有棱角的岩石矿物颗粒.因此，PFC模拟油田尺度的水力裂缝前景渺茫.3.2.2 晶格法为了解决PFC3D速度慢的问题，3D LATTICE软件提供了流--固--热耦合的模块.Cundall［41］用LATTICE模拟了水力裂缝与预置裂缝的干扰行为，预置裂缝捕获水力裂缝的原因是，水力裂缝遇到预置裂缝后，一侧受到拉伸应力，另外一侧受到挤压应力，而流体则始终是沿着阻力最小的方向流动，这与水力压裂室内试验［45，7］吻合良好.Pettitt等［42］用LATTICE软件模拟水平井多级压裂，并在最大水平应力60°角的方向上设置了一簇离散裂缝网络.水力裂缝起始扩展方向依然是垂直于最小主地应力，遇到节理网络后发生偏转.受到水力裂缝应力的影响，有些水力裂缝是双翼缝，有些则是单翼裂缝.3.2.3 非连续变形分析（discontinuous deformation analysis，DDA）非连续变形分析是离散元方法的隐式表达，与有限元处理应力位移问题较为相似.Ben等［4346］将裂缝性岩体简化为管网模型，采用DDA研究岩体的变形，并与裂缝中的流体流动相耦合，从而实现了裂缝性的岩体中的流体流动模拟.Ben为了模拟裂缝性地层中的水力压裂，他以DDA建立水力压裂模型时做了三点假设：（1）裂缝性或节理性岩体中的每个岩块是连续不可渗透的线弹性体，新生裂缝不能穿透这些连续的块体.（2）块体之间的初始状态是弹簧胶结的，可以发生张性和剪性破坏.（3）岩块的边界中的初始间隙为流体的流动路径，流态为单向不可压缩的拉梅流动.Morgan等［47］在Ben模型的基础上考虑了流体的可压缩性，也实现了水力压裂的模拟，并得到了实验验证.岩石的断裂有穿晶断裂和沿晶断裂［48］两种情况.DDA模拟裂缝性地层虽具有优越性，但其假设水力裂缝为不可穿越的块体，使得DDA模拟水力裂缝与实际的岩石裂缝有一定的差距.3.3 边界元（boundary element method，BEM）边界元法是在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件.其中，位移不连续法［4950］是边界元体系中的一种高效处理裂缝问题的数值方法，其原理是将裂缝划分成若干个位移不连续的单元，建立一个能够满足边界应力或位移的代数方程组，该方程组的解为单元的切向和法向位移，法向位移的物理意义即为裂缝宽度.早期的多裂缝的模拟是在经典的 KGD［35］、PKN［51］、拟三维裂缝模型［5254］基础上，考虑了流体在多裂缝以及井筒中的流动，但是没有考虑多裂缝间的应力干扰和裂缝内的压力耗散.Olson［55］基于二维位移不连续解，模拟多裂缝同时扩展，如图5所示.他假定裂缝扩展速度与裂尖应力强度因子成比例增长，裂缝内部液压为常压，考虑了等长天然裂缝的随机分布.但忽略了压裂液在裂缝内部的流动，使得这一模型不适合真实情况下的水力压裂.Olson等［56］指出：相对静液压力系数Rn和逼近角是影响裂缝形态的主要因素.与直井相比水平井中更倾向于形成网状裂缝，水平井中水力裂缝与天然裂缝之间的夹角越大，越易于形成网状裂缝形态.水力裂缝诱导应力可能使得闭合的天然裂缝在水力裂缝到达之前可能张开或滑移.张保卫［57］也采用边界元位移不连续法，模拟水力裂缝在页岩地层中扩展，得到了与Olson等［5556］相似的模拟结果.他指出，水力裂缝诱导应力场在裂缝尖端附近可以改变主应力的方向，使得水力裂缝并不总是沿着垂直于远场最小水平主应力的方向扩展，而当裂缝沿着天然裂缝扩展一段距离之后，天然裂缝的干扰应力场减小，水力裂缝又逐渐受到远场水平主应力的约束，沿着垂直于最小水平主应力方向扩展.在此基础上，Sesetty等［58］也采用边界元位移不连续法，但他假定压裂液为牛顿流体，研究了水力裂缝路径、裂缝开度、缝内压力随压裂液注入时间的变化关系.Wu等［5960］将拟三维裂缝宽度方程和二维位移不连续法相结合，建立了一个能够在天然裂缝性地层中模拟多裂缝的拟三维多裂缝力学模型.Wu等［5960］假定压裂液为幂律流体，采用有限差分法求解压裂液的流动，与拟三维多裂缝力学模型相结合，采用 Newton迭代法和Picard迭代法，实现了流体流动和裂缝变形的耦合，以及多裂缝间的应力干扰，采用最大拉应力准则判别裂缝扩展的方向，实现了拟三维多裂缝同步扩展的数值模拟.实际上，自然界任何裂缝都可以认为是三维的，二维裂缝也只是三维裂缝的特例.近年来，三维断裂力学［6162］和边界元三维位移不连续法［6365］的发展才使得真三维水力裂缝的模拟得以快速实现.Yamamoto等［6667］采用有限元研究裂缝内部流体的流动，三维位移不连续法研究岩体的变形，经过耦合求解之后，模拟了全三维水力裂缝扩展.但其局限性在于不能考虑地层之间水平应力的差异. Rungamornrat等［68］在研究三维水力裂缝非平面扩展时，实现了三维裂缝在空间的扭曲，如图6所示. Adachi等［69］采用三维位移不连续法与幂律流体流动耦合，在含有多层岩石介质中实现了全三维水力裂缝扩展模拟.与Yamamoto等［6667］相比，Adachi等［69］建立的模型可以考虑不同地层间的应力差异性，但是他们所建立的模型的共同特点是只有一个主裂缝，并且忽略了水力裂缝被地层界面所遮挡的可能性.单条三维水力裂缝的非平面扩展的成功模拟促进了学者对多条三维水力裂缝扩展的数值模拟，目的是为了更加接近水平井分段压裂的实际裂缝情况. Xu［70］将三维位移不连续法用于模拟水平井多裂缝的扩展［7072］，如图7所示.同一压裂段中不同射孔簇压裂液流量的分配实际上是多裂缝应力干扰的结果，但是压裂液在井筒内的压力可近似认为是相等的，并且各个射孔处流量的总和等于泵入到地层中的总流量，这2个条件使得流量分配是一个既复杂而又可以求解的力学问题.3.4 边界元的优势（1）边界元与扩展有限元的简要比较边界元和扩展有限元均是从弹性力学出发，假定岩石的断裂属于弹脆性断裂，裂尖在断裂判别准则下自由扩展，适合于模拟宏观类水力裂缝的扩展.扩展有限元需对定义域（与水力裂缝相关的地层）的整体进行划分网格，网格数目巨大，计算耗时长；边界元是只需对定义域的边界（裂缝、层理等）进行划分网格，网格数目少，计算快，并且精度高.在模拟水平井多裂缝同步或者相继扩展时，边界元只需在裂缝扩展的每一个时间步，将新生的裂缝单元加入到原有的单元中并参与计算，即可实现多裂缝间的应力干扰.在采用边界元法模拟天然裂缝网络时，只需将天然裂缝面划分为单元，天然裂缝的力学属性由法向刚度、剪切刚度、摩擦系数等表征［50］.（2）边界元与离散元的简要比较众所周知，以PFC3D为代表的离散元软件需要众多的颗粒才能模拟岩土的断裂行为，在研究小尺寸试样的细观力学行为上具有一定的优势.由于计算机速度的限制，PFC3D当前并不能模拟油田尺度的水力裂缝扩展.PFC3D中颗粒的细观参数与岩石的宏观参数的标定依然是一个未解之谜.边界元则只需对介质的边界进行划分单元，单元数目少，也可以直接将常规岩样测试获得的弹性参数纳入到计算之中，适用性高.（1）弹性各向异性对水力裂缝宽度和扩展方向的影响.不论是横观各向同性，还是正交各向异性，其弹性本构方程较均质各向同性更为复杂.目前，边界元三维位移不连续法已经可以解决各向异性介质中三维裂缝弹性变形问题［7375］，但应用于解决水力压裂力学问题尚需时日.（2）非均质体界面对水力裂缝的影响.层理是不同岩性地层的界面，页岩层理尤为发育.不同地层的弹性参数的差异导致裂缝问题更为复杂［7677］，例如层理面在水力裂缝逼近时容易产生小范围滑移或者张开；软地层（弹性模量低的地层）变形容易，水力裂缝宽度大；硬地层（弹性模量大的地层）变形小，断裂韧性通常比较大，水力裂缝难以穿越，起到了遮挡作用.无论是二维边界元还是三维边界元，非均质介质的界面上的连续性条件是解决非均质弹性力学问题［50，7881］的关键条件.水力裂缝与层理的干扰行为与边界元三维位移不连续法的结合还有待进一步研究，主要难点体现在层理面的张开或滑移破坏了连续性条件［50］.（3）在天然裂缝网络中模拟分段水力压裂裂缝的扩展.边界元三维位移不连续法虽然在模拟分段压裂裂缝扩展方面优势明显［7072］，离散的天然裂缝网络与单条水力裂缝的干扰也已不再是难点，但多裂缝中的流体动力学与边界元三维位移不连续法的耦合依然是一个尚待解决的科学难题.页岩气储层中岩石力学特性，对水力压裂多裂缝数值模拟提出了更高的要求，页岩在水压作用下的断裂特征是改进水力裂缝模拟的标杆.与扩展有限元、离散元相比，边界元在解决页岩气储层水力裂缝问题上已经表现出更大的优越性和可行性.在模拟页岩气储层单条裂缝在裂缝性储层中扩展时，扩展有限元、边界元、离散元均可较好地解决流固耦合问题.在模拟页岩气储层多级压裂裂缝扩展时，必须考虑裂缝间的应力干扰问题.边界元三维位移不连续法则表现出更大的优越性，是一个行之有效的数值方法.另外，在页岩气储层水力压裂多裂缝数值模型中，页岩各向异性、非均质性以及离散裂缝网络是值得探索的研究方向.【相关文献】1王永辉，卢拥军，李永平.非常规储层压裂改造技术进展及应用.石油学报，2012，33（S1）:149-1582 Fisher MK，Wright CA，Davidson BM，et al.Integrating fracture mapping technologiesto optimize stimulations in Barnett shale.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，San Antonio，Texas，USA，20023 Zhou J，Chen M，Jin Y，et al.Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45（7）:1143-11524 Cheng W，Jin Y，Chen M.Experimental study of stepdisplacement hydraulic fracturingon naturally fractured shale outcrops.Journal of Geophysics and Engineering，2015，12:714-7235 Cheng W，Jin Y，Chen M.Reactivation mechanism of natural fractures by hydraulic fracturing in naturally fractured shale reservoirs.Journal of Natural GasScience&Engineering，2015，23:431-4396 Jacobi DJ，Gladkikh M，LeCompte B，et al.Integrated petrophysical evaluation of shale gas reservoirs.CIPC/SPE Gas Technology Symposium 2008 Joint Conference，Calgary，Alberta，Canada，20087 Cheng W，Jin Y，Chen M，et al.A criterion for a hydraulic fracture crossing a natural fracture in a 3D space and its field application.Petroleum Exploration&Development，2014，41（3）:371-3768衡帅，杨春和，张保平等.页岩各向异性特征的试验研究.岩土力学，2015，36（3）:609-6169王倩，王鹏，项德贵等.页岩力学参数各向异性研究.天然气工业，2012，32（12）:1-410 Waters GA，Lewis RE，Bentley D.The effect of mechanical properties anisotropy in the generation of hydraulic fractures in organic shales.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denver，Colorado，USA，201111陈治喜，陈勉，黄荣樽等.层状介质中水力裂缝的垂向扩展.石油大学学报（自然科学版），1997，21（4）:24-3012 Wu R，Kresse O，Weng X，et al.Modeling of interaction of hydraulic fractures in complex fracture networks.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，201213 Nicolas PR，Mukul MS.Strategies to minimize frac spacing and stimulate natural fractures in horizontal completions. SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denver，Colorado，USA，201114 Bruce RM，Lucas WB.A discrete fracture network model for hydraulically induced fractures:theory，parametric and case studies.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，201115 Nicolas PR，Mukul MS.Optimizing fracture spacing and sequencing in horizontal-well fracturing.SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，Lafayette，Louisiana，USA，201016唐颖，唐玄，王广源等.页岩气开发水力压裂技术综述.地质通报，2011，30（23）:393-39917陈勉，庞飞，金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析.岩石力学与工程学报，2000，19（S）：868-87218程万，金衍，陈勉等.页岩储层水平井分段压裂裂缝间距设计方法及影响因素分析.科学技术与工程，2014，14（15）:1671-181519 Cheng Y.Boundary element analysis of the stress distribution around multiple fractures:implications for the spacing of perforation clusters of hydraulically fractured horizontal wells.SPE Eastern Regional Meeting，Charleston，West Virginia，USA，200920 Mutalik PN，Gibson B.Case history of sequential and simultaneous fracturing of the Barnett shale in Parker county.SPE Annual technical conference and exhibition，Denver，USA，200821 Waters G，Dean B，Downie R，et al.Simultaneous hydraulic fracturing of adjacent horizontal wells in the Woodford shale.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，200922 Asferg JL，Poulsen PN，Nielsen LO.A consistent partly cracked XFEM element for cohesive crack growth.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2007，72（4）:464-48523 Dolbow J，Nicolas M，Ted B.An extended finite element method for modeling crack growth with frictional contact. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2001，190（51）:6825-684624 Karihaloo BL，Xiao QZ.Modelling of stationary and growing cracks in FE framework without remeshing:a stateof-the-art puters&Structures，2003，81（3）: 119-12925 Mariani S，Umberto P.Extended finite element method for quasi-brittlefracture.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2003，58（1）:103-12626 Legrain G，Moes N，Verron E.Stress analysis around crack tips in finite strain problems using the extended finite element method.International Journal for NumericalMethods in Engineering，2005，63（2）:290-31427 Ren Q，Dong Y，Yu T.Numerical modeling of concrete hydraulic fracturing with extended finite element method. Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（3）:559-56528 Lecampion B.An extended finite element method for hydraulic fracturemunications in Numerical Methods in Engineering，2009，25（2）:121-13329盛茂，李根生.水力压裂过程中的扩展有限元数值模拟方法.工程力学，2014，31（10）:123-12830曾青冬，姚军.基于扩展有限元的页岩水力压裂数值模拟.应用数学和力学，2014，35（11）:1239-124831 Mohammadnejad T，Khoei AR.An extended finite element method for hydraulic fracture propagation in deformable porous media with the cohesive crack model.Finite Elements in Analysis and Design，2013，73:77-9532 Arash DT.Analysis of hydraulic fracture propagation in fractured reservoir:an improved model for the interaction between induced and natural fractures.［PhD Thesis］.Texas:University of Texas at Austin，200933 Arash DT.Numerical modeling of multistranded-hydraulic fracturepropagation:accounting for the interaction between induced and natural fractures.SPE Journal，2011，16（3）:575-58134 Arash DT.Modeling simulaneous growth of multi-branch hydraulic fractures.45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，San Francisco，California，USA，201135 Nordren RP.Propagation of a vertical hydraulic fracture. SPE Journal，1972，12（4）:306-31436 Keshavarzi R，Mohammadi S.A new approach for numerical modeling of hydraulic fracture propagation in naturally fractured reservoirs.SPE/EAGE European Unconventional Resources Conference&Exhibition-From Potential to Production，Austria，201237 Fu P，Johnson SM，Carrigan CR.An explicitly coupled hydro-geomechanical model for simulating hydraulic fracturing in arbitrary discrete fracture networks. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2013，37（14）:2278-2300.38 Itasca Consulting Group.PFC2D User’s Manuals（Particle Flow Code in 2 Dimensions）.Minneapolis:Itasca Consulting Group，199939 Marina S，Derek I，Mohamed PY，et al.Simulation of the hydraulic fracturing process of fractured rocks by the discrete element method.Environmental Earth Sciences，2015，73（12）:8451-846940 Damjanac B，Gil I，Pierce M，et al.A new approach to hydraulic fracturing modelingin naturally fractured reservoirs.44th US Rock Mechanics Symposium and 5th USCanada Rock Mechanics Symposium，Salt Lake City，Utah，USA，201041 Cundall ttice method for modeling brittle，jointed rock.2nd Int’l FLAC/DEM Symposium on Continuum and Distinct Element Numerical Modeling in Geomechanics，Melbourne，Australia，201142 Pettitt WS，Hazzard JF，Damjanac B，et al.Microseismic imaging and hydrofracture numerical simulations.21st Canadian Rock Mechanics Symposium，Alberta，Canada，201243 Ben Y，Wang Y，Shi G.Challenges of simulating hydraulic fracturing with DDA.3rd ISRM Symposium on Rock Characterisation，Modelling and Engineering Design Methods. Shanghai，China，201344 Ben Y，Xue J，Miao QH，et al.Coupling fluid flow with discontinuous deformation analysis.Advances in Discontinuous Numerical Methods and Applications in Geomechanics and Geoengineering，London，201245 Ben Y，Xue J，Miao Q，et al.Simulating hydraulic fracturing with discontinuous deformation analysis.46th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，Chicago，Illinois，USA，201246 Ben Y，Wang Y，Shi G.Development of a model for simulating hydraulic fracturing with DDA.Frontiers of Discontinuous Numerical Methods and Practical Simulations in Engineering and Disaster Prevention，London，201347 Morgan WE，Aral MM.An implicitly coupled hydrogeomechanical model for hydraulic fracture simulation with the discontinuous deformation analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2015，73: 82-9448谢和平，高峰，周宏伟等.岩石断裂和破碎的分形研究.防灾减灾工程学报，2003，23（4）:1-9 49 Crouch SL.Solution of plane elasticity problems by the displacement discontinuity method.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1976，10:301-343 50 Crouch SL，Starfield AM.Boundary Element Methods in SolidMechanics.London:Goerge Allen and Unwin Publishers，198351 Perkins TK，Kern LR.Widths of hydraulic fractures.Journal of Petroleum Technology，1961，13（9）:937-94952 Antonin S，Michael PC.Three-dimensional simulation of hydraulic fracturing. Journal of Petroleum Technology，1984，36（07），170-17753 Barree RD.A practical numerical simulator for threedimensional fracture propagation in heterogeneous media. SPE Reservoir Simulation Symposium，San Francisco，California，USA，198354 John DM，John CP.Pseudo-three-dimensional fracture growth modeling.The 26th US Symposium on Rock Mechanics（USRMS），Rapid City，South Dakota，USA，1985 55。
岩石力学性质的实验与模拟研究
岩石力学性质的实验与模拟研究引言：岩石是地壳中最常见的地质体，对于地球科学研究和工程实践至关重要。
岩石力学是研究岩石及其围岩的力学性质和力学行为的学科，对于矿山、隧道、地铁、水利、核工程等领域起着重要的作用。
在实验室和模拟研究中，通过探索岩石的物理、力学性质可以更好地理解岩石结构、变形、破裂及围岩的稳定性，为相关工程项目提供科学依据，也为资源勘探提供技术支持。
一、岩石力学实验方法岩石力学的实验研究旨在通过实验手段来获得岩石的物理力学参数，为后续的数值模拟和工程设计提供基础数据。
岩石力学实验方法多种多样，主要包括材料力学试验、岩石强度试验、变形试验等。
1. 材料力学试验材料力学试验是最基本的研究方法之一，它通过对岩石试样进行拉伸、压缩、弯曲等加载，测试岩石的力学参数。
常用的试验方法包括拉压试验、剪切试验、三轴试验等。
在这些试验中，通过加载试样并测量力和变形，可以得到岩石的荷载-变形曲线，从而计算出各种力学参数，如岩石的弹性模量、抗拉强度、抗压强度等。
2. 岩石强度试验岩石强度试验主要是通过加载试样，观察其破坏形态，以及测量岩石的破坏强度等参数。
其中，抗拉强度试验和抗压强度试验是常用的试验方法。
在抗拉强度试验中，通过加载试样，观察其是否发生断裂，同时测量拉断强度。
而在抗压强度试验中，试样在加载过程中发生破裂，测量岩石的抗压强度。
3. 变形试验变形试验主要研究岩石在外力作用下的变形行为，常用的方法包括岩石变形试验、弹塑性试验、弹性恢复试验等。
通过这些试验，可以大致了解岩石在不同应力条件下的变形特点，如岩石的应变硬化、塑性变形、岩石的弹性恢复等。
二、岩石力学的数值模拟方法岩石力学的数值模拟通过建立岩石性质的数学模型，模拟岩石在不同力学条件下的行为，为工程设计和科学研究提供定量预测和评估。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法和边界元法等。
1. 有限元法有限元法是最常用的数值模拟方法之一，它将连续体分割成有限数量的小单元，通过有限元的位移函数和加权残差方法，求解各个单元上的力学行为，最终得到整个岩石体系的应力、应变分布。
岩石力学特性研究 – 试验和模型分析
•
•
1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地
利学派（Muller和Stini）。
同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。
1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。
1957年，第一本《岩石力学》专著出版（J.Talobre,法国）。
1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。
•稳定性计算与评价
围岩
有压隧洞
岩基
岩坡
13
岩
石
力
学
二、研究内容与研究方法
1.研究内容
❖ 以边坡为例
14
工
程
地
质
研
究
方
法
（地层、岩性、结构面
岩块、结构面力 应力条件（建筑物
学性质（室内试验： 作用力、天然应力、
特征及分布、地下水等）
求变形、强度参数）
边坡岩体地质特征
地质模型建立
综合
评价
法
岩体力学性质，力学参数
四个特征：
具有一定工程地质岩组
以不连续为特征的岩体结构
赋存于一定的地质物理环境
（地应力、地下水、地温）
作为工程作用对象的地质体
3
一、岩石和其物理性质
四个特性(DIANE)：
Discontinuous
Inhomogeneous
Anisotropic
Non-elastic
基本物理指标
1. 容重和密度
容重：岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力。可分为：干容重、湿容重
和饱和容重。一般未说明含水状态时是指湿容重。
W
V
▪ 岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水的多少；
泥页岩粘聚力内摩擦角
泥页岩粘聚力内摩擦角
泥页岩是一种由粘土矿物和其他颗粒组成的岩石，其粘聚力和
内摩擦角是描述其力学特性的重要参数。
粘聚力是指岩石颗粒之间
的吸附力和化学结合力，它影响着岩石的强度和稳定性。
而内摩擦
角则是描述岩石颗粒之间的摩擦阻力，是岩石抗剪强度的重要指标。
泥页岩的粘聚力通常取决于其中粘土矿物的种类和含量，以及
水分的影响。
一般来说，含有高比表面积的粘土矿物的泥页岩具有
较高的粘聚力，而水分的增加会降低其粘聚力。
此外，泥页岩中可
能存在有机物质的影响，有机物质的存在会增加泥页岩的粘聚力。
内摩擦角受到岩石颗粒形状、大小和矿物成分的影响。
粘土矿
物颗粒之间的摩擦力取决于它们的形状和表面结构，而岩石中其他
颗粒的存在也会影响内摩擦角的大小。
此外，水分含量和应力状态
也会对内摩擦角产生影响。
需要指出的是，泥页岩的粘聚力和内摩擦角是复杂的岩石力学
特性，受到多种因素的影响，其数值不是固定不变的，需要通过实
验和测试来获取准确的数值。
因此，对于特定的泥页岩样本，需要
进行专门的实验来确定其粘聚力和内摩擦角的数值。
关于常用的岩土和岩石物理力学参数
(E , ν) 与(K , G )的转换关系如下：)1(2ν+=EG （）当ν值接近的时候不能盲目的使用公式，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。
最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。
表和分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。
岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。
这些常量的定义见理论篇。
均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。
一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。
表给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。
横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。
纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。
其取值依赖于分析的目的。
分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。
这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。
在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系：'f f k K nt ∝∆ （） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。
f'K n m k C +=νν （）其中其中，'k ——FLAC 3D 使用的渗透系数k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9102⨯）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。
常用岩石力学参数
132.3 163.4 197.2 235.1 307.9
25MnSi钢
屈服载荷 破断载荷
76.4
116.6
96.7 119.4 144.4 180.9
234
147.6 182.2 220.5 262.2 29~2.45 2.45~6.37 8.83~22.6
0.1~0.5 0.09~0.35
4.9~49 9.81~15.7 4.5~78.5 19.6~49
0.24~5.79 1.47~2.45 0.98~39.6 1.96~9.81
砂质页岩 15.7~23.7
软砂岩 致密砂岩 石英砂岩
石砂岩
石灰岩 白云岩 花岗岩
23.5~68.6 44.1~83.4 30.4~82.8
玄武岩
39.2~98.1
大理岩
9.81~67.3
片麻岩 石英岩
15.5~57.3 40.2~147
注：1、带 有横线的格 子中，横线 上方代表“ 范围”，下 方代表“一 般”。 2、本表引 自 李世平 编 《岩石 力学简明教 程》 中国 矿业大学出
25.0
混合片麻岩
22.0-27.1 片麻岩
28.0 26.0 23.0-29.0 28.1-29.0 28.0 23.0 23.0-27.7
片岩 特别坚硬的石英岩 片状石英岩 大理岩 白云岩 板岩 蛇纹岩
岩石力学
单轴压缩弹模 泊松比（v） 单轴抗压强度 单轴抗拉强度（σ
（E）/Gpa
（σC）/Mpa t）/Mpa
27.0-27.4 砂岩
24.0-28.6 25.3-29.7 23.0-26.7 23.0-27.0 25.0-31.0 22.9-25.0 22.0-29.0
岩石的力学特性及强度准则
岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
由于在石油工程中，并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关，因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。
影响岩石力学性质的因素许多，例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。
要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响，只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。
岩石的变形特性，最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。
通常首先讨论在常温、常压（即室温与通常大气压）条件下岩石的力学性质，然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。
这样才能渐渐弄清在地质条件下，综合因素对岩石力学性质的影响。
岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。
，岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。
一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。
延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接进展为延性流淌。
所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言，破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏，5%以上作为延性破坏，3% 一5%为过渡状况。
由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法，而必需在肯定的围压作用厂（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定。
真三轴试验（岩石上三个主方向的作用力均不等）非常简单，一般均不采纳。
普退采纳的是常规三轴压缩试验方法，一般用圆柱形岩样，在其横向施加液体围压，即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久，如图1—1所示。
假如上下垫块是带孔可渗透的，亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。
在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c（需要时亦可加孔隙压至所需的夕。
1岩石力学-岩石物理力学性质
d
s
A h
式中，γd为岩石的干密度（g／cm3）；gs为被测岩样在 105℃一110℃的温度下烘干24 小时的质量（g）；A为被测 岩样的平均断面积（cm2）；h为被测岩样平均高度（cm）。
38
一、岩石的质量指标 岩石密度测定方法二：水中称重法 首先称量不规则岩样的质量（gs），再浸入水 中称其质量（gw） ，根据阿基米德原理计算出 不规则岩样的体积（V），即可计算出岩样密 度（γ）。 遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此 法测其密度。
岩石力学
胶 结 连 结
二、岩石的常见结构类型
岩石中的微结构面，是指存在于矿物颗粒内 部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及 空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、 粒间空隙、微裂隙等。 岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在 显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性 质的影响却是相当大的。 有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决 定性因素。
岩石力学
岩 浆 岩
三、岩石的地质成因分类
沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物 质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下 来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主 要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等。
沉 积 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
沉积岩具有层理构造，岩性 一般具有明显的各向异性。 沉 积 岩
变 质 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
3、区域变质岩 这类变质岩分布范围较广，岩石厚度较大， 变质程度较为均一，最常见的有片麻岩、片岩、 千枚岩、板岩、石英岩和大理岩，混合岩是介 于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石。
变 质 岩
岩石力学
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基金项目：中国博士后科学基金项目（编号：２００９０４５１４２２）。
作者简介：杨建，１９７８年生，工学博士；２００８年毕业于西南石油大学开发地质学专业；主要从事储层岩石力学、地应力及非常规天然气开发研究工作。地址：（６１８３００）四川省广汉市中山大道南二段。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙ２０００ｗ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
页岩储层的岩石力学特性杨建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗中国石油西南油气田公司采气工程研究院
杨建等．页岩储层的岩石力学特性．天然气工业，２０１２，３２（７）：１２－１４． 摘 要 页岩储层岩石具有基质致密，微裂隙、层理面发育，岩石性脆等非常规地质特征，其力学性质与一般的致密砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石力学性质，利用ＭＴＳ多功能岩石力学实验系统对取自四川盆地某区的Ｍ组页岩开展了三轴、单轴、巴西力学实验。结果表明：页岩岩石三轴平均抗压强度为２６５．７５ＭＰａ，平均杨氏模量为４．５９×１０４ ＭＰａ，平均泊松比为０．２５，属于中硬地层；单轴垂向取样抗压强度（１５１．９２ＭＰａ）是水平取样抗压强度（为６９．１８ＭＰａ）的２．２倍；页岩抗张强度较低，平均为２．９４ＭＰａ。综合分析页岩储层脆性指数后认为，Ｍ组页岩属于脆性岩石，储层脆性指数均超过５０，有利于对页岩储层进行大型水力压裂；压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。 关键词 四川盆地 页岩 储集层 岩石力学实验 特性 矿物组分 脆性指数 压裂 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１２．０７．００３
１
页岩储层物性特征及矿物组分
１．１
页岩储层物性特征
四川盆地某区寒武系、志留系发育多套黑色页岩层系，其中Ｍ组页岩有机碳含量高，分布稳定，是一套高效烃源岩［１－３］。据取心资料分析结果，该组页岩储层孔隙度分布在２％～５％，原地应力条件下测得基质渗透率介于０．０１～０．００１ｍＤ级别或更低，但是由于页岩气藏受裂缝因素的影响，其局部渗透率可以达到较高的水平。１．２
页岩岩石矿物成分
利用Ｘ射线衍射分析某区页岩气井Ｍ组取心资料，页岩矿物组分主要以石英矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主，其中石英矿物含量占４３．４１％，黏土矿物含量占２２．５２％，碳酸盐岩矿物含量占１６．６７％。黏土矿物中主要以伊利石、绿泥石为主（图１
）。
２
页岩岩石力学实验
２．１
力学实验条件
实验利用ＭＴＳ８１５型岩石力学实验仪，选取Ｍ
图１ 页岩储层岩石矿物成分分析结果图组不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心，采取垂直或平行层理面２种方式取样。岩样加工成直径为２．５４
·２１· 天 然 气 工 业 ２０１２年７月ｃｍ，长度为５．５０ｃｍ的柱状岩心，端面磨平，模拟储层温度、压力条件，进行三轴、单轴力学实验；岩样加工成直径为３．８０ｃｍ，长度为１．００ｃｍ的柱状岩心，端面磨平，进行巴西力学实验。２．２ 页岩三轴力学实验 选取Ｍ组不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心，平行于层理面加工实验样品。
通过三轴岩石力学实验，该页岩储层基质岩石，抗压强度分布在２５０～３００ＭＰａ，平均抗压强度为２６５．７５ＭＰａ，平均杨氏模量为４．５９×１０４ ＭＰａ，平均
泊松比为０．２５（表１），三轴力学实验应力—应变曲线如图２所示。
表１ 页岩三轴力学实验结果表岩样编号密度／ｇ·ｃｍ－３
实验条件温度／℃上覆压力／ＭＰａ围压／ＭＰａ孔压／ＭＰａ实验结果抗压强度／ＭＰａ杨氏模量
／
１０４ ＭＰａ泊松比
１０－０９－０１ ２．６７０ ８８ ６６ ５３ ２５ ２６６．２１８ ３．６６２ ０．１９５１０－０９－０２ ２．６８８ ８８ ６６ ５３ ２５ ２５６．７２４ ３．５７６ ０．２２２１０－０９－０３ ２．６９０ ８９ ６８ ５４ ２５ ２５０．０５３ ５．５２５ ０．３３１１０－０９－０４ ２．６９４ ８９ ６８ ５４ ２５ ２９０．０１４ ５．５９９ ０．２７２
图２ 页岩三轴力学实验应力—应变曲线图２．３
页岩单轴力学实验
选取Ｍ组岩石样品，采取平行、垂直层理面２种取样方式，其中水平取样２个，垂直取样３个，进行单轴抗压力学对比实验。
实验结果表明，水平方向取样的岩样平均杨氏模量为４．７０×１０４ ＭＰａ，抗压强度为６９．１８ＭＰａ，平均泊松比为０．２２７；垂直方向取样的岩样平均杨氏模量为２．９９×１０４ ＭＰａ，抗压强度为１５１．９２ＭＰａ，平均泊松比
为０．１７５（表２
）。
表２ 页岩单轴力学实验结果表样号取样方式密度／ｇ·ｃｍ－３抗压强度／ＭＰａ杨氏模量
／
１０４ ＭＰａ泊松比
１垂向２．６２３ １３８．０７０ ３．０４５ ０．１４０２水平２．６１６ ６８．９６４ ６．１３６ ０．２５６３垂向２．６２ １１７．３９６ ２．３６８ ０．１２８４垂向２．５３２ ２００．３１２ ３．５６８ ０．２５７５水平２．５０８ ６９．４０４ ３．２５７ ０．１９８
２．４
页岩巴西力学实验
选取页岩基质岩石样品，通过实验测量，页岩样品抗张强度介于２～４ＭＰａ，平均为２．９４ＭＰａ（表３
）。
表３ 页岩巴西力学实验结果表岩心编号样品直径／ｍｍ样品长度／ｍｍ抗张强度／ＭＰａ
４８－０６ ３７．５２ ９．７３ ３．２６５１－０５ ３７．６１ １１．３１ ２．７０５４－０８ ３７．７５ ９．４３ ２．８６
３
实验结果讨论
通过对页岩储层岩石力学特征参数研究表明，页岩岩石力学性质与致密砂岩有相似之处。四川盆地某区上三叠统须二段致密砂岩储层岩石力学实验结果表明，抗压强度平均为２３５．７５ＭＰａ，平均弹性模量为２．９４×１０４ ＭＰａ（２３个样品），与致密砂岩岩石样品对
·３１·第３２卷第７期 地 质 勘 探
比，页岩同样具有较高的三轴抗压强度及弹性模量，属于中硬地层。 页岩储层层理发育，取样方式的不同对单轴抗压力学实验结果影响较大。Ｍ组单轴岩石力学实验表明，水平方向取样的岩样平均杨氏模量为４．７０×１０４ＭＰａ，抗压强度为６９．１８ＭＰａ；垂直方向取样的岩样平均杨氏模量为２．９９×１０４ ＭＰａ，抗压强度为１５１．９２ＭＰａ。垂向抗压强度是水平向抗压强度的２．２倍，分析认为页岩储层本身水平层理面发育，页岩岩性较脆，易顺层理面脆裂，导致水平方向取样抗压强度低。 通过岩石力学特征参数、页岩脆性矿物成分含量结合测井数据，计算了川南某区块Ｘ井页岩Ｍ储层岩石脆性指数，Ｘ井拟改造段２ ４４０～２ ５４０ｍ储层脆性指数都超过５０（图３）。根据国外已有的页岩开发经验，岩石脆性与压裂液和支撑剂选取有重要联系，随着岩石脆性的增高，压裂液选择从交联压裂液逐步向滑溜水压裂液过渡，形成的裂缝也由双翼对称裂缝向复杂的网络裂缝过渡；在支撑剂的选取上，岩石脆性指数越高，液体体积用量越大，支撑剂的用量越少，支撑剂浓度越低［４－７］。图３ Ｘ井Ｍ组页岩岩石脆性剖面图 通过综合分析Ｘ井Ｍ组页岩储层岩石脆性情况，该组岩石属于脆性岩石，压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，压裂设计原则应为“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”。４
结论
１）四川盆地Ｍ组页岩矿物组分主要以石英矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主，其中石英矿物含量占４３．４１％，黏土矿物含量占２２．５２％，碳酸盐岩矿物含
量占１６．６７％。黏土矿物中主要以伊利石、绿泥石为主。
２）岩石三轴力学实验表明，页岩基质岩石抗压强
度分布在２５０～３００ＭＰａ，平均抗压强度为２６５．７５
ＭＰａ，平均杨氏模量为４．５９×１０４ ＭＰａ，平均泊松比为
０．２５，属于中硬地层；单轴力学实验表明，水平方向取
样的岩样抗压强度为６９．１８ＭＰａ，垂直方向取样的岩样抗压强度为１５１．９２ＭＰａ，两者相差２．２倍；巴西力学实验揭示，页岩抗张强度较低，平均为２．９４ＭＰａ
。
３）通过综合分析页岩储层脆性指数，表明四川盆
地Ｍ组页岩属于脆性岩石，储层脆性指数均超过５０
，
压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。
参 考 文 献［１］方俊华，朱炎铭，魏伟，等．蜀南地区龙马溪组页岩气成藏基
础分析［Ｊ］．特种油气藏，２０１０，１７（６）：４６－４９．
［２］黄勇斌，李其荣，高贵冬，等．蜀南地区下古生界页岩气勘探
潜力评价及区带优选［Ｊ］．天然气工业，２０１２，３２（增刊１
）：
２５－２７．［３］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等．四川盆地南部页岩气藏大型水力
压裂作业先导性试验［Ｊ］．天然气工业，２０１１，３１（４）：４８－５０．
［４］陈作，薛承瑾．页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议
［Ｊ］．天然气工业，２０１０，３０（１０）：３０－３２．
［５］付永强，马发明，曾立新，等．页岩气藏储层压裂实验评价关
键技术［Ｊ］．天然气工业，２０１１，３１（４）：５１－５４．
［６］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等．四川盆地南部页岩气藏大型水力
压裂作业先导性试验［Ｊ］．天然气工业，２０１１，３１（４）：４８－５０．
［７］ＺＡＨＩＤ Ｓ，ＢＨＡＴＴＩ Ａ Ａ，ＫＨＡＮ Ｈ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｇａｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ：ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｃ］
∥ｐａｐｅｒ １０７０５３ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ２００７ＳＰＥ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄＯｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，３１Ｍａｒｃｈ－３Ａｐｒｉｌ ２００７，ＯｋｌａｈｏｍａＣｉｔｙ，Ｏｋｌａｈｏｍａ，ＵＳＡ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＳＰＥ，２００７．
（修改回稿日期 ２０１２－０５－２１ 编辑 罗冬梅）
·４１· 天 然 气 工 业 ２０１２年７月