基于UMT-TriboLab力学实验平台的层理性岩石的裂缝扩展规律研究

1 研究背景简介

页岩、致密砂岩和煤层等非常规储层通常表现出非常低的孔隙度和渗透率。在非常规油气藏开发过程中，常采用水平钻井、水力压裂等多种技术相结合的方法。在这些技术中，水力压裂形成复杂缝网是储层改造的关键。页岩和致密砂岩等非常规储层由于其地质历史上沉积物成分和沉积的水动力环境间歇性变化，导致其层理发育，从而导致岩石内部存在裂隙或胶结弱面。这对水力压裂裂缝的形成影响较大，因此需要掌握层理对裂缝形成的影响规律和机理。本研究将以页岩和致密砂岩作为研究对象，针对强弱交替而非裂缝的层理发育岩石，采用双扭实验方法研究以上问题，并结合微米压痕研究层理的微观力学性质差异与裂缝扩展的关系，分析层理对裂缝扩展的控制机理。

2.研究过程

      2.1 材料准备

本次研究中使用的致密砂岩是从中国西部鄂尔多斯盆地延长组长7段油层采集。图1（a）所示为中国甘肃庆阳地区H5-3井2816.64m深度处水平井取芯的岩心照片，可以看到明显的深灰色和浅灰色相间的水平层理。层理在钻取岩心的扭矩作用下发生了大量的断裂，断裂面受层理影响较为粗糙。页岩采集于中国西部的准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油储层，图1（b）所示为中国新疆吉木萨尔县地区J31井2895.64~2898.23m深处垂直井取芯的岩心照。由照片可以观察到发育的水平层理。

2.2 实验设备简介

本文采用的实验方法为双扭实验法测试І型裂缝的扩展过程，再以DT技术（Double Torsion Technique）研究岩样的断裂韧性和亚临界扩展速率。实验使用的设备是美国BRUKER公司的UMT-TriboLab试验机（如图2（a）中左侧所示），并配套了美国Phantom高速相机对裂缝扩展过程进行监测（如图2（a）中右侧所示）。为了适用于双扭实验，制作了双扭实验加载部件（图2（a）中红色虚线框内部分），如图2（b）所示，底部有四个支撑杆，支撑杆顶部为Ф4mm圆弧，在力传感器和位移传感器的底部固定有两个Ф4mm的球形压头。使用的力传感器为F-200，精度为100mN，量程为0.1mN~2kN，垂向的位移分辨率为0.5um。岩板的受力示意图如图2（c）所示，整个加载过程由底脚支撑杆和岩板顶面的球形压头控制，形成四点加载系统的双扭实验。

2.3 实验流程

通过图2（a）所示的实验装置，在对岩石预裂时同步采集图像（图3）。抽提了部分时间节点的图像如图3（a）所示，随着加载过程的进行，裂缝从加载一侧的V型切口处开裂并向前延伸。在加载1.5s时，图像隐约能够观察到开裂（拍摄的阴影造成的折痕极为裂缝），此时载荷出现了第一次跌落。随着进一步加载，载荷增加幅度减小，进入裂缝延伸扩展阶段。在2.5s和3.5s时刻均能观察到这个裂缝折痕长度的延伸。由此可以了解，双扭实验方法中岩板的破裂过程是逐步向前延伸的。在裂缝起裂后存在一段较长的延伸段，在载荷曲线上也显示为初次破坏后的平稳段。

3 断裂特征分析

在这项研究中，我们关注层理对裂缝扩展的影响。据此，我们以两组岩石（CQ 和 LCG）为样品，并在层理和 V 型缺口之间创建如下角度：0°、30°、60°、90°和垂直，通过实验求取断裂韧度。并在多次试验后的岩板上刻画裂缝形态，按同等比例制作示意图，与断裂韧度值一同画在图4中。

4 微米压痕研究

本研究以LCG组页岩样品开展了扩展速率的的研究。此外，为了进一步对比研究同一角度层理引起的扩展过程的差异，又对CQ组致密砂岩30°层理夹角的样品开展了实验。本文研究发现，层理对于拉伸裂缝的扩展产生极大的影响，对于同一夹角，也存在较大差异。为了研究这个问题，采用微米压痕的试验方法，对于层理间的力学性质差异进行测试和表征。

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原文：https://doi.org/10.1007/s00603-021-02742-2 

相关设备介绍链接：

摩擦磨损测试仪UMT-TriboLab：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/tribometers-and-mechanical-testers.html