鄂尔多斯盆地长7段页岩强度与变形尺度效应规律试验研究

作者：李帅; 陈军斌^*; 王汉青; 龚迪光; 聂向荣

来源：煤炭学报, 2020, 45(12): 4121-4131.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2019.1421

• 强度与变形
• 尺度效应
• 页岩
• 鄂尔多斯盆地
• 单轴压缩试验
• 水力压裂

页岩层理结构发育,非均质性极强,其强度与变形特征存在显著的尺度效应现象,致使室内小尺度岩样测试结果在表征矿场大尺度页岩岩体力学性质时存在局限性。为探究页岩强度与变形的尺度效应规律,以鄂尔多斯盆地延长组长7段陆相页岩露头为研究对象,采用RTR-1000岩石三轴测试系统对11块高径比为2,直径为17,20,25和38 mm等4类岩样尺度进行单轴压缩试验,分析页岩强度与变形的尺度效应规律及其内在机理,在此基础上,提出一种新的适用于页岩的强度尺度效应模型,并初步得到室内岩样在表征页岩矿场岩体时的合理测试尺度。结果表明:绝大多数描述页岩强度与变形的力学参数存在显著的尺度效应现象,其中弹性模量和泊松比随岩样尺度增大而增大,峰值强度、峰值应变、残余应变、残余应力和破裂时间等随岩样尺度增大而减小;不同尺度的页岩在弹性变形向脆性破坏转变时均是瞬态的,不存在明显的塑性屈服段,且破裂前均为线弹性变形,破坏后均为拉伸-剪切破坏,但剪切角较小,均在10°以内;页岩强度与变形参数的尺度效应现象是由岩样的加载方向、层理面方向、层理面力学性质和微观缺陷不均匀分布等共同造成的;基于Griffith微裂纹强度理论模型得到新的适用于页岩的强度尺度效应模型,该模型与试验结果吻合度较好,能准确预测不同尺度的页岩岩样强度;不同矿场页岩岩体力学参数所对应的合理的室内试验岩样尺度不同,当岩样高径比为2,长度超过160 mm时,室内测得的岩样力学参数经现场校正后均可表征矿场岩体力学参数;页岩强度与变形的尺度效应规律可以用于预测储层钻井时的破裂压力,井壁变形特征以及压裂时的起裂和稳定扩展压力,在当前体积压裂施工中,扩大沿层理方向的分支缝压裂规模或对于大而厚、沿层理方向微缺陷极为发育的页岩储层,可以考虑进行直井的分段多簇压裂以充分释放层理面有利于压裂裂缝扩展的力学优势,从而提高页岩气井产量。

• 单位
  油气资源与探测国家重点实验室; 中国石油大学（北京）; 西安石油大学