頁巖宏觀破裂模式與微觀破裂機理

鐘建華，劉圣鑫，馬寅生，尹成明，劉成林，李宗星，劉選，李勇（. 中國石油大學(xué)（華東）；2. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所；. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所；4. 中國地質(zhì)科學(xué)院頁巖油氣評價重點實驗室）

頁巖宏觀破裂模式與微觀破裂機理

鐘建華1, 2，劉圣鑫1，馬寅生3, 4，尹成明3, 4，劉成林3, 4，李宗星3，劉選1，李勇1
（1. 中國石油大學(xué)（華東）；2. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所；3. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所；4. 中國地質(zhì)科學(xué)院頁巖油氣評價重點實驗室）

摘要：通過對頁巖組構(gòu)特征、力學(xué)特征、裂紋和斷口微觀形貌特征的研究，揭示了頁巖宏觀破裂的微觀機制、控制 因素及其破裂模式。研究表明，頁巖的宏觀破裂受到組構(gòu)特征、取心方向、圍壓等多種因素的影響，由頁巖內(nèi)部發(fā) 育的孔隙和微裂隙擴展、合并、貫通而形成。宏觀破裂模式包括剪切型破裂、拉張型破裂和滑移型破裂，微觀上， 微裂隙破裂主要包括剪切滑移型（Ⅱ型）、拉張型（Ⅰ型）兩種類型。本質(zhì)上，頁巖的剪切破裂和滑移破裂都是由于 微裂隙的剪切滑移破裂引起的，只因受頁巖結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)出不同的破裂模式；拉張型破裂是由于微裂隙的張性擴 展引起的。另外，宏觀破裂過程中，微裂隙的剪切和拉張兩種破裂共存，但對宏觀破裂貢獻大小不同。最后建立了 頁巖的破裂模式，即剪切型破裂、拉張型破裂和滑移型破裂，并從微觀上解釋了宏觀破裂的微觀機理。圖14表1參24

關(guān)鍵詞：頁巖；宏觀破裂模式；微觀破裂機理；微裂隙；剪切破裂；拉張破裂

0　引言

中國頁巖氣資源豐富，已引起能源界的廣泛關(guān)注[1-2]。但頁巖氣儲集層具有極低的孔隙度和滲透率，商業(yè)開采需大規(guī)模水力壓裂改造。國內(nèi)外學(xué)者對頁巖（或?qū)訝顜r石）的力學(xué)特征、破裂模式等已做了大量研究[3-9]，但對頁巖破裂的微觀機理研究不足。而頁巖破裂的微觀機理研究對壓裂改造改善頁巖的滲透性、次生裂紋擴展預(yù)測、分析弱面作用以及提高采收率等均具有重要意義。1920年，Griffith依據(jù)能量理論，首先指出固體的宏觀破裂是從固體內(nèi)部存在的微裂隙處開始的[10]。謝和平等[11]對巖石斷裂的微觀機理進行分析后指出，巖石的最終宏觀斷裂與其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)及微缺陷緊密相關(guān)。要徹底查明巖石的斷裂機理，就必須從微觀角度研究巖石的斷裂過程。另外，頁巖是一種具有紋層與頁理構(gòu)造的細粒沉積巖，這種特殊組構(gòu)必然會對巖石的破裂產(chǎn)生一定影響。Nasseri等[12]對頁巖和板巖進行了三軸實驗研究，認為力加載方向和圍壓是使巖石按不同模式破壞的主要影響因素。本文基于對渤海灣盆地東營凹陷沙河街組沙三、沙四段富含有機質(zhì)頁巖組構(gòu)特征、力學(xué)特征的研究，分析頁巖宏觀破裂的微觀機理，并建立頁巖的破裂模式。

1　實驗方法及樣品制備

采用頁巖微觀結(jié)構(gòu)觀察、全應(yīng)力應(yīng)變和聲波測量等多種實驗方法研究頁巖組構(gòu)特征和力學(xué)特征。為研究結(jié)構(gòu)面對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響，設(shè)置結(jié)構(gòu)面與軸心或主應(yīng)力的夾角（β）分別為0°、45°、90°（見圖1）。力學(xué)測試前，將取自井下的巖心加工成標準圓柱試樣，規(guī)格為Φ25 mm×50 mm。樣品取自濟陽坳陷東營凹陷同一地區(qū)11口井古近系沙河街組沙三、沙四段，埋深2 274.70～3 341.90 m，多數(shù)樣品層理非常發(fā)育，為黑色粉砂質(zhì)頁巖，只有3塊頁巖樣品層理不很發(fā)育，為黑色泥頁巖。制作頁巖標準測試巖樣23塊，均表觀完整，其中9塊肉眼可見裂縫。三軸壓縮實驗采用中國石油大學(xué)（華東）SAM-1000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，實驗溫度為常溫（20 ℃）。室內(nèi)三軸力學(xué)實驗結(jié)果見表1。為觀察頁巖組構(gòu)特征，對樣品進行氬離子拋光處理，采用掃描電鏡觀察頁巖垂直和平行層理面方向礦物組分的粒徑、空間分布及內(nèi)部孔隙特征。為觀察頁巖破裂后斷口和裂紋的形貌特征，在不受任何外力的情況下，采用中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院重質(zhì)油實驗室S-4800冷場掃描電鏡對頁巖的微觀結(jié)構(gòu)進行分析。

圖1　層理面取心示意圖（σ1—最大主應(yīng)力；σ2—中間應(yīng)力；σ3—最小應(yīng)力）

表1　頁巖三軸力學(xué)實驗結(jié)果

2　頁巖的組構(gòu)特征

頁巖是一種具有紋層與頁理構(gòu)造的細粒（粒徑一般小于0.004 mm）沉積巖，具有特殊的組構(gòu)特征。沿垂直層理方向（見圖2a）可以看出，巖樣的紋層非常發(fā)育，不同紋層所含礦物成分差別較大。顏色較深的紋層含更多的黏土礦物和有機質(zhì)，顏色較淺的紋層含更多的碎屑礦物。軟弱面的厚度和連續(xù)性也有較大差別，有的厚度較大，且連續(xù)性好，有的則較差。由氬離子拋光后樣品掃描電鏡圖像可以看出（見圖2b，2c），頁巖中的鱗片狀黏土礦物和有機質(zhì)的排列方向與層理方向基本平行（見圖2b、2c中箭頭方向），多呈狹條狀。剛性顆粒如石英、碳酸鹽等含量較少，呈基底式膠結(jié)。剛性顆粒間的基底式膠結(jié)使黏土礦物與顆粒之間的連接薄弱，微觀不連續(xù)性突出。黏土礦物的片理中（見圖2d）存在不規(guī)則的碎屑顆粒和自生礦物，會降低軟弱面的抗壓抗拉強度，頁巖受力容易沿著層理方向開裂。宏觀上，層理面是一個比較規(guī)則的“弱面”，但微觀上（微—納米級），層理面并不是一個規(guī)則的面，在顯微鏡下呈很明顯的凹凸不平狀（見圖2e），黏土礦物和有機質(zhì)也不再呈條帶狀，多為形狀不規(guī)則或橢圓狀顆粒（見圖2f、2g）。

圖2　頁巖組構(gòu)分析照片

在掃描電鏡下，觀察到大量的微米、納米級孔隙和微裂隙。由圖2b、2c可見，沿垂直層理方向，頁巖中的孔隙如粒間孔、粒內(nèi)孔、微裂隙多呈條帶狀，長軸方向大體與頁理面一致。但仍有大量的孔隙和裂隙受到顆粒界面和構(gòu)造運動的控制，呈不規(guī)則展布。沿層理方向，孔隙形狀不規(guī)則，多為圓孔狀、橢圓狀等（見圖2f、2g、2h）。

綜上，頁巖的顯著特點是：①內(nèi)部存在由大量黏土礦物組成的層理、片理、微裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面；②微—納米級孔隙、微裂隙非常發(fā)育，從統(tǒng)計角度看，孔隙的長軸方向多與層理方向一致或夾角很小。頁巖在縱向和橫向上存在明顯的各向異性，不是理想的連續(xù)介質(zhì)。

3　頁巖的宏觀破裂及其力學(xué)特征

3.1 頁巖的破裂模式

頁巖的破裂模式受到多種因素的影響，如：取心方向、圍壓、孔隙的發(fā)育特征等。三軸壓縮實驗結(jié)果顯示，頁巖破裂模式主要表現(xiàn)為3種（見圖3）：①拉張型破裂（樣品F5、F8、F4-1、F2-1、W1）；②剪切破裂（樣品F3-1、F3-2、F2-2、F4-2、F6）；③滑移破裂（樣品F7-2、Z1）。

圖3　三軸壓縮實驗后樣品照片（樣品規(guī)格為Φ25 mm×50 mm）

根據(jù)孫廣忠[13]巖體結(jié)構(gòu)控制論，巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體變形、破裂及其力學(xué)性質(zhì)，巖體結(jié)構(gòu)對巖體力學(xué)的控制作用遠大于巖石材料。盡管頁巖巖塊與巖體不能完全等同，但兩者有相似之處，即在頁巖中也存在軟弱結(jié)構(gòu)面。盡管頁巖中軟弱面的厚度、連續(xù)性較差，但對頁巖的破裂同樣具有控制作用[7,12]。由圖3可以看出，當(dāng)β分別為0°、10°、45°時，主要發(fā)生張破裂和滑移破裂。裂紋的擴展演化主要是在軟弱面中發(fā)生，且多發(fā)生在結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)處，貫通裂紋一般存在于厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中。由圖3e可見，從W1樣品外表看裂紋擴展演化并沒有沿著軟弱面發(fā)展，但觀察破裂面時發(fā)現(xiàn)，由于層理面凹凸不平，樣品實際上還是沿軟弱面破裂，表明巖石內(nèi)部構(gòu)造特征影響巖石的破裂模式。當(dāng)β為90°時，在三軸壓縮實驗中，樣品發(fā)生剪切破裂，貫通裂紋的方向與最大主應(yīng)力的方向基本一致。

在取樣過程中，由于頁巖層理之間的黏聚力小，容易沿層理面斷裂。圖3中黃色虛線表示制樣過程中形成的斷層面。巖石在外力作用下，貫通裂紋可能沿著斷層面摩擦滑動，也可能穿過斷層面破裂，這取決于斷層面與最大主應(yīng)力之間的夾角大小和加載條件[14]。當(dāng)斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為90°時（如F2-2、F6、F4-2樣品），裂紋穿過了斷層面破裂；當(dāng)夾角為45°時（F7-2樣品），裂紋沿著斷層面摩擦滑動，而沒有穿過斷層面破裂。巖樣F3-2中有兩條斷層面，上部斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為90°，裂紋穿過斷層面，下部斷層面與主應(yīng)力之間的夾角為30°，裂紋沒有穿過斷層面，而是沿著斷層面發(fā)生了摩擦滑動。

3.2 頁巖的力學(xué)特征分析

頁巖的力學(xué)破裂整體上具有顯著的脆性斷裂特征，受取心方向、圍壓等多種因素影響，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的各向異性。

3.2.1 取心方向?qū)αW(xué)特征的影響

取心方向?qū)搸r的力學(xué)特征有明顯影響[7,15]。圖4、圖5分別給出了不同圍壓條件下（40 MPa、30 MPa、20 MPa）頁巖的抗壓強度、彈性模量與β的關(guān)系，可以看出，夾角相同時，抗壓強度隨圍壓的增加而增加，彈性模量隨圍壓的增加而增加；同一圍壓條件下，隨著夾角的增大，頁巖的抗壓強度先減小后增大；彈性模量隨夾角的增大而減小。β為45°時，抗壓強度最小，這是由于軟弱面的摩擦系數(shù)小，頁巖破裂受到軟弱面的控制，發(fā)生了摩擦滑移破裂；β為0°時的抗壓強度要高于β為90°時，這可能是因為β為0°時頁巖的抗壓 強度受到富含碎屑顆粒的紋層控制，而富含碎屑顆粒的紋層具有較高的抗壓強度；β為90°時軟弱面被壓縮時容易發(fā)生變形，進而造成微裂隙的擴展破裂。彈性模量隨β增大而減小，是因為軟弱面易被壓縮，隨著β增大，軟弱面所起的作用就會越大。

圖4　不同圍壓條件下頁巖抗壓強度與β關(guān)系

圖5　不同圍壓條件下頁巖彈性模量與β關(guān)系

3.2.2 斷層面對抗壓強度的影響

圖6給出了β分別為90°、0°時，圍壓與抗壓強度關(guān)系以及存在斷層面對抗壓強度的影響，由圖可以看出，頁巖的抗壓強度隨圍壓的增加而增加；圍壓相同時，斷層面的存在降低了抗壓強度。圖7給出了頁巖抗壓強度隨彈性模量的變化趨勢，可以看出，抗壓強度隨彈性模量的增加而增加。

3.2.3 頁巖的體積膨脹

圖6　抗壓強度隨圍壓變化擬合圖

圖7　抗壓強度隨彈性模量變化擬合圖

巖石變形破裂本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)破裂，裂隙增大，體積膨脹，進而形成主破裂[16]。圖8為頁巖的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，藍色曲線為頁巖的體積應(yīng)變曲線，由圖可以看出，巖石彈性變形階段以后，在持續(xù)的差應(yīng)力作用下，微裂隙緩慢生長并形成新的微破裂。當(dāng)應(yīng)力達到某一臨界值時，新的微裂紋加速生長，并出現(xiàn)新一級微裂紋，引起巖石總體積的變化（出現(xiàn)膨脹），導(dǎo)致滲透率增大，同時電阻率（飽含水情況）降低，巖石的波速減小[17-18]（見圖9）。

3.2.4 壓應(yīng)力下微裂隙擴展類型

圖8　頁巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（ε1—軸向應(yīng)變；ε2—橫向應(yīng)變；εv—體積應(yīng)變）

圖9　巖石波速與應(yīng)變關(guān)系曲線

頁巖氣儲集層體積壓裂實踐表明，最常見的裂縫為Ⅰ型和Ⅱ型[19]。從微觀角度看，頁巖的宏觀裂縫是由于頁巖中彌散著大量的隨機分布的微孔隙和微裂隙，在外力作用下，微裂隙發(fā)生了擴展、合并、貫通。這些大小、形態(tài)、方向各異的微裂隙，主要有3種演化趨勢：剪切滑移型破裂趨勢，拉張型破裂趨勢及穩(wěn)定閉合趨勢。當(dāng)宏觀破裂發(fā)生時，這3種演化趨勢同時存在，只是所起作用大小不同。

圖10a中有一條受壓閉合的微裂隙，微裂隙隨著載荷增加發(fā)生穩(wěn)定擴展。隨著荷載的增加，微裂隙面發(fā)生摩擦滑移，造成微裂隙端部應(yīng)力集中，從微裂隙端部附近開始擴展，擴展方向與微裂隙方向不一致，而是偏轉(zhuǎn)一定角度，朝拐折方向擴展，破裂從初始斷裂角開始之后很快向最大壓應(yīng)力方向漸進。理論研究和實驗測量結(jié)果表明斷裂角（θ）約為70.5o[20]，擴展部分為拉張性破裂，此裂紋為Ⅱ型裂紋。

圖10b中微裂隙平行于層理方向，在壓應(yīng)力的作用下形成的張性拉力使裂紋面之間的閉合程度很弱，裂紋面之間的摩擦力很小。裂紋不但沒有閉合，張開程度往往增加，變形成為扁橢圓，其長軸和主應(yīng)力的作用方向平行，此裂紋為Ⅰ型裂紋。

3.3 裂縫的發(fā)育特征

圖10　壓應(yīng)力作用下裂紋擴展示意圖

由圖3可以看出，拉張型破裂（β=0°、10°）發(fā)生時，除形成貫通裂紋以外，還發(fā)育了大量的微裂紋，眾多黏聚力小的軟弱面發(fā)生了拉張性破裂，軟弱面的密度越高，形成的裂紋就越多；剪切破裂（β=90°）時，裂紋發(fā)育最差，一般發(fā)育一條或幾條主裂紋，微裂紋發(fā)育很少，這是因為軟弱面被壓實，多數(shù)微裂隙發(fā)生了閉合；滑移破裂時，有的微裂隙滑移摩擦形成剪切性破裂裂紋，還有一定數(shù)量的微裂隙發(fā)生閉合。圍壓越高產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越少，圍壓越低產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越多，圍壓的升高會抑制微裂紋的擴展。以上分析表明，頁巖結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力之間的夾角越小，層理越發(fā)育，越有利于裂紋的擴展，可壓裂性越好，這有利于增加頁巖的孔隙體積、提高滲透率以及頁巖氣的解吸能力。

4　頁巖破裂的微觀分析

巖石的最終宏觀破裂是由其內(nèi)部的微裂隙和孔隙擴展演化而成，因此，可以把微觀破裂特征同其宏觀破裂的力學(xué)機制聯(lián)系起來，從微觀角度探討巖石的破裂規(guī)律[21-22]。當(dāng)巖石破裂模式不同時，其微觀破裂特征也不同，裂紋和斷口會表現(xiàn)為不同的微觀形貌特征。4.1 張性破裂

當(dāng)β為0°或較小時，一般發(fā)生拉張性破裂，這是壓應(yīng)力派生的張力作用的結(jié)果。由圖11可以看出，裂紋主要發(fā)育在泥質(zhì)含量較高的軟弱面中，這是由于黏土礦物中天然微裂隙發(fā)育、抗拉強度較低的緣故。在微裂隙起始擴展階段，應(yīng)力誘發(fā)的裂紋擴展方向與最大主應(yīng)力方向大致平行，這種應(yīng)力誘發(fā)的微裂隙稱為“翼隙”（見圖11b、11f）。由于頁巖特殊的組構(gòu)特征，翼隙的空間分布具有較強的局限性，會在軟弱面中形成微裂隙帶（連通性差）。當(dāng)荷載增加至接近峰值時，翼隙的空間分布會突然局部化，許多已擴展的微裂隙產(chǎn)生相互作用和合并，從而形成貫通的主裂縫。圖11b、11c中紅色圓圈標示出的裂紋，很明顯是剪切破裂形成的，特別是在接近峰值或峰值以后，這種剪切型裂紋更容易形成，說明在形成拉張型裂紋的同時，還形成了與剪切機制相關(guān)的裂紋。頁巖系統(tǒng)不穩(wěn)定，微裂隙表面摩擦力小，容易擴展，因此其形成的裂紋最多，貫通裂紋主要是在厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中發(fā)育。4.2 剪切破裂

圖11　三軸壓縮實驗后頁巖的張性破裂圖（樣品為F5-1）

圖12為頁巖發(fā)生剪切破裂后的破裂面圖像，宏觀上，頁巖剪切破裂面凹凸不平（見圖12a），且有明顯的擦痕；在掃描電鏡下，擦痕臺階和微臺階也非常明顯（見圖12b、12c），表面上有較多的巖粉散布，巖石的滑移造成了顆粒的剪切破裂（見圖12e），這些都表明巖石發(fā)生了剪切破裂。圖12d為張性裂紋，說明發(fā)生剪切破裂時，還伴隨著少量的張性破裂。樣品F3-1 的β為45°，根據(jù)前人和本文的研究，應(yīng)該發(fā)生沿層理面的滑移破裂，但其沒有發(fā)生滑移破裂，原因可能在于：①樣品的層理不發(fā)育，各向異性差，礦物分布不均勻；②圍壓較高，高圍壓下巖石的破裂不受結(jié)構(gòu)的控制[23]。另外，頁巖中顆粒的存在對裂紋擴展、集結(jié)會起到誘導(dǎo)、牽引以及限制作用[24]（見圖12f）。4.3 滑移破裂

由于頁巖特殊的組構(gòu)特征，當(dāng)層理面與最大主應(yīng)力之間的夾角在某范圍內(nèi)時[7,12]，會發(fā)生沿層理面的滑移破裂。圖13給出了樣品F7-2破裂后掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖。在壓應(yīng)力作用下，微破裂首先在軟弱面內(nèi)較大范圍內(nèi)產(chǎn)生，具有一定的優(yōu)勢方向，呈不均勻分布；宏觀破裂之前，形成軟弱面裂隙帶（局部破碎）?？梢姾暧^滑移破裂和微裂隙擴展演化都受到軟弱面控制。由圖13b、13c可以看出，滑移在層理附近發(fā)育，一是因為層理之間膠結(jié)能力差，二是層理面附近孔隙比較發(fā)育。由圖13e可以看出，黏土礦物中的自生礦物、碎屑顆粒之間存在大量的粒間孔，可降低抗剪抗拉強度。由圖13f可以看出，破裂面凹凸不平，存在明顯的擦痕，與剪切破裂面相比，表面更為平整。

圖12　三軸壓縮實驗后頁巖的剪切破裂圖（樣品為F3-1）

圖13　三軸壓縮實驗后頁巖的滑移破裂（樣品為F7-2）

4.4 頁巖的破裂模式

結(jié)合前人研究，依據(jù)頁巖破裂的宏觀和微觀觀察分析，提出了以下3種頁巖破裂模式：剪切破裂、滑移破裂、張性破裂。

圖14a為頁巖的剪切破裂模式。當(dāng)層理面與主應(yīng)力夾角較大時，與層理面平行（或角度很?。┑奈⒘严抖鄶?shù)發(fā)生閉合或很難擴展，但仍有大量與層理面夾角較大的微裂隙會發(fā)生剪切或拉張型擴展。在壓應(yīng)力的作用下，軟弱面和富含碎屑顆粒紋層中微裂隙同時發(fā)生剪切或拉張型擴展演化，造成局部破碎，隨著差應(yīng)力的增加，共線剪切裂紋貫通，最終導(dǎo)致整體剪切破裂。另外，局部破碎的形成受富含碎屑顆粒紋層的控制，即只有剪切強度超過富含碎屑顆粒的紋層中微裂隙的剪切強度時，才能形成穿越紋層的裂紋。

圖14b為頁巖的滑移破裂模式。當(dāng)層理面與主應(yīng)力之間的夾角在一定范圍時，頁巖會沿著軟弱面發(fā)生滑移破裂。頁巖的滑移破裂受結(jié)構(gòu)面的控制，宏觀破裂面一般會在厚度大、連續(xù)性好的軟弱面中形成。從微觀上看，軟弱面中與層理平行的微裂隙對頁巖的滑移破裂起主導(dǎo)作用，由于軟弱面中微裂隙表面的摩擦系數(shù)小，在壓應(yīng)力的作用下，以微裂隙的剪切破裂為主，且一般不會穿越軟弱面，形成貫通層理的裂紋。

圖14c為頁巖的張性破裂模式。當(dāng)β較小或為0o，高泥質(zhì)含量軟弱面位于結(jié)構(gòu)面附近時，頁巖抗拉強度低，在軟弱面內(nèi)和結(jié)構(gòu)面附近的微裂隙以發(fā)生張性破裂為主。在壓應(yīng)力的作用下，頁巖系統(tǒng)為非穩(wěn)定系統(tǒng)，平行于層理面的微裂隙沒有閉合，而是發(fā)生了拉張性擴展，擴展方向與層理方向平行，隨著載荷的增加，裂紋集結(jié)成核形成貫通裂紋。軟弱面中的微裂隙拉張性破裂是造成頁巖破裂的主控因素，當(dāng)然頁巖破裂不僅發(fā)生微裂隙的拉張型破裂，同時還存在微裂隙的剪切型破裂，特別是主應(yīng)力接近峰值或峰值以后。

圖14　頁巖的破裂模式

5　結(jié)論

由于其特殊的組構(gòu)特征，頁巖的裂紋擴展和發(fā)育、力學(xué)特征存在明顯的各向異性，其宏觀破裂模式包括張性破裂、剪切破裂、滑移破裂3種基本類型。取心方向不同時，其力學(xué)參數(shù)差異較大，平行與垂直層理面取心的試樣，其抗壓強度最高；彈性模量隨β的增加而減?。挥捎谲浫趺婢哂休^低的抗剪抗拉強度，裂紋多發(fā)生在軟弱面內(nèi)部和層理面附近；頁巖發(fā)生張性破裂時，裂紋最發(fā)育。

微觀上，頁巖的宏觀破裂是由其內(nèi)部的孔隙和微裂隙擴展發(fā)育而成，微裂隙破裂類型主要包括剪切破裂和拉張型破裂。宏觀剪切破裂和滑移破裂主要是由微裂隙的剪切破裂引起，而張性破裂是由微裂隙的拉張型破裂引起。

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（編輯 黃昌武）

Macro-fracture mode and micro-fracture mechanism of shale

Zhong Jianhua1,2, Liu Shengxin1, Ma Yinsheng3, 4, Yin Chengming3, 4, Liu Chenglin3, 4, Li Zongxing3, Liu Xuan1, Li Yong1
(1. China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Geochemistry Institute of Guangzhou, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of
Geological Sciences, Beijing 100081, China; 4. Key Laboratory of Shale Oil & Gas Evaluation, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Through the study of fabric characteristics, mechanical characteristics, crack and microstructure characteristics of shale, the micro-mechanism, controlling factors and fracture modes of shale macro-fracture are revealed. The macro-fracture of shale is affected by fabric characteristics, coring direction, confining pressure etc, and occurs when the pores and micro-cracks extend, merge and link up. Macroscopic failure modes include shear fracture, tensile fracture and slip rupture. Microscopically, the micro-crack failure mainly includes shear slip type(type II)and tensile type(type I). In essence, the shear rupture and slip fracture of shale are all caused by shear slip rupture of micro-cracks, but due to different shale structure, the failure takes on different modes. The tensile fracture is caused by the tensile extension of micro-cracks. In addition, during the macro-fracture, the shear and tensile fracture of micro-cracks co-exist, but make different contribution to the macro-fracture. Finally, shale fracture patterns, namely shear, tensile rupture and slip burst are set up, and the microscopic mechanism of macro-fracture is explained from the microscopic viewpoint.

Key words:shale; macro-fracture mode; micro-fracture mechanism; microcrack; shear fracture; tension fracture

收稿日期：2014-04-10 修回日期：2015-02-09

作者簡介：第一鐘建華（1957-），男，山東東營人，中國石油大學(xué)（華東）教授，主要從事沉積學(xué)、巖石力學(xué)研究。地址：山東省青島市黃島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)66號，中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，郵政編碼：266580。E-mail: 807227351@qq.com

DOI:10.11698/PED.2015.02.16

文章編號：1000-0747(2015)02-0242-09

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE122.2

基金項目：國家油氣重大專項（2011ZX05009-002）；國家自然科學(xué)基金石油化工重點基金項目（U1262203）