杨圣奇等：不同层理页岩常规三轴压缩力学特性离散元模拟 431· with the increase of the angle between the bedding inclination and axial stress.(3)At constant bedding inclination,the number of microcracks at the final failure of the specimen increases with the increase of confining pressure.Under the same confining pressure,the number of microcracks in the final failure of the specimen first decreases and then increases with the increase in bedding inclination. (4)With increased confining pressure,the brittleness of shale with the same bedding angle decreases as a whole.Under low confining pressure,shale brittleness is larger at both ends and smaller in the middle with the increased bedding inclinations. KEY WORDS shale;bedding inclinations;failure mode;brittleness index;discrete element simulation 随着对能源需求的增长，页岩气作为一种非 均质度含不同方向层理面页岩的声发射特性，结果 常规清洁高效能源越发被人们关注，我国页岩气 表明页岩层理面倾角和均质度对其峰值强度、破 技术可采储量位居世界第一，开发潜力广阔.随着 裂模式和声发射特性有显著影响.综合前人研究 页岩气开采技术日益成熟，我国已经开始向埋深 可以看出，前人使用P℉C研究不同层理页岩常规 超过3500m的深层页岩气资源进军.页岩储层孔 三轴宏微观力学特性及层理倾角对页岩脆性影响 隙率、渗透率低，开采时常使用水平井水压致裂等 的成果相对较少，需要进行进一步研究 方法来增加产气量，并且页岩在形成过程中会形 因此，本文通过颗粒流程序模拟研究围压和 成较多弱面，从而表现出不同程度的各向异性.因 层理倾角对页岩的力学特性影响.首先基于“试错 此，进一步开展深部各向异性岩石力学特性的研 法”获得一组可以反映室内试验四中B=0°、 究对深层页岩气开发具有重要指导意义 90(该角度为层理面与最大主应力间的夹角)页岩 长期以来国内外学者针对各向异岩石力学特 力学特性的细观参数，并通过破坏模式的对比做 征展开了一系列研究工作.室内试验方面，文献「1一41 了进一步验证.在此基础上对不同层理倾角页岩 进行了层理页岩常规力学实验，分析了层理页岩抗 进行常规三轴压缩模拟，研究围压和层理倾角对 压强度、破坏模式和波速的各项异性特征；熊健 页岩力学特性及破坏模式的影响，进一步加深对 等5-刀讨论了高温后及热力耦合作用对页岩物理力 深部不同层理页岩的力学特性的了解，以期为相 学特性的影响；何柏等系统地分析了页岩体积变 关工程提供一定参考价值 形规律，得到了页岩在压缩应力作用下的4个变形 1数值模拟方法 阶段；亓倩和朱维耀9通过建立两种分布渗透率分 布模型结合稳态依次替换法，研究了页岩气储层中 PFC是常用于模拟岩土材料力学性能的离散 不稳定渗流压力扰动的传播规律；王辉等021对 元软件，在其二维模型中颗粒被视为单位厚度的 层状页岩开展了巴西劈裂试验，分析了页岩破坏模 刚性圆盘并通过颗粒的运动和相互作用来模拟材 式、峰值强度与层理倾角的关系；Yang等u1通过 料的力学行为.文献[22-24]在采用P℉C模拟岩石 对龙马溪组页岩进行常规三轴试验分析了其各向 材料时，表明颗粒间的接触模型选用平行黏结模 异性特征，并根据应力-应变表征的能量关系提出 型能够较好的反映岩石材料的力学特性，同时考 了2种评定岩石脆性特征的新方法.刁海燕开 虑到页岩的各向异性，通过安装光滑节理接触模 展了泥页岩力学特性和脆性评价方面的研究，提出 型来模拟其层理面 弹性参数与矿物成分组合法的新脆性评价方法； 1.1数值模型构建 袁俊亮等从页岩气储层岩石的脆性指数、断裂 本文对Yang等2四完成的不同层理倾角页岩 韧性、岩石力学特性3个方面，对页岩气储层可压 常规三轴压缩试验进行数值模拟研究.试验中采 裂性评价技术进行了研究，并建立了储层可压裂性 用的页岩取自江西省庐山市，该页岩材料属于细 立体分布图.在数值模拟方面，郭天魁等利用 晶结构，密度约为2750kgm3,孔隙率为1.2%，主 Abaqus有限元计算软件研究了地应力、井筒位置 要矿物成分为白云母、石英、钠长石等.以0°与 等对起裂应力的影响：卞康等7利用离散元软件 90两个角度对岩块进行钻取来获得尺寸为直径 研究了不同吸水时间下页岩的卸荷力学特性和破 50mm、高100mm的圆柱体试样 坏模式；梁正召等网使用RFPA2D模拟了由两种不 依据室内试验结果，在PFC中生成与室内 同的岩石材料组成的不同岩层倾角的岩石试件的 试验尺寸相同的数值试样，直径50mm、高100mm. 力学行为，对其单轴压缩下渐进破坏过程进行了研 试样中颗粒最小半径为0.5mm,最大与最小粒径 究；杨志等使用RFPA2D研究了单轴压缩下不同 比为1.66，且颗粒大小成均匀分布，颗粒密度为with  the  increase  of  the  angle  between  the  bedding  inclination  and  axial  stress.  (3)  At  constant  bedding  inclination,  the  number  of microcracks at the final failure of the specimen increases with the increase of confining pressure. Under the same confining pressure, the number of microcracks in the final failure of the specimen first decreases and then increases with the increase in bedding inclination. (4) With increased confining pressure, the brittleness of shale with the same bedding angle decreases as a whole. Under low confining pressure, shale brittleness is larger at both ends and smaller in the middle with the increased bedding inclinations. KEY WORDS    shale；bedding inclinations；failure mode；brittleness index；discrete element simulation 随着对能源需求的增长，页岩气作为一种非 常规清洁高效能源越发被人们关注. 我国页岩气 技术可采储量位居世界第一，开发潜力广阔. 随着 页岩气开采技术日益成熟，我国已经开始向埋深 超过 3500 m 的深层页岩气资源进军. 页岩储层孔 隙率、渗透率低，开采时常使用水平井水压致裂等 方法来增加产气量，并且页岩在形成过程中会形 成较多弱面，从而表现出不同程度的各向异性. 因 此，进一步开展深部各向异性岩石力学特性的研 究对深层页岩气开发具有重要指导意义. 长期以来国内外学者针对各向异岩石力学特 征展开了一系列研究工作. 室内试验方面，文献 [1−4] 进行了层理页岩常规力学实验，分析了层理页岩抗 压强度、破坏模式和波速的各项异性特征；熊健 等[5−7] 讨论了高温后及热力耦合作用对页岩物理力 学特性的影响；何柏等[8] 系统地分析了页岩体积变 形规律，得到了页岩在压缩应力作用下的 4 个变形 阶段；亓倩和朱维耀[9] 通过建立两种分布渗透率分 布模型结合稳态依次替换法，研究了页岩气储层中 不稳定渗流压力扰动的传播规律；王辉等[10−12] 对 层状页岩开展了巴西劈裂试验，分析了页岩破坏模 式、峰值强度与层理倾角的关系；Yang 等[13] 通过 对龙马溪组页岩进行常规三轴试验分析了其各向 异性特征，并根据应力‒应变表征的能量关系提出 了 2 种评定岩石脆性特征的新方法. 刁海燕[14] 开 展了泥页岩力学特性和脆性评价方面的研究，提出 弹性参数与矿物成分组合法的新脆性评价方法； 袁俊亮等[15] 从页岩气储层岩石的脆性指数、断裂 韧性、岩石力学特性 3 个方面，对页岩气储层可压 裂性评价技术进行了研究，并建立了储层可压裂性 立体分布图. 在数值模拟方面，郭天魁等[16] 利用 Abaqus 有限元计算软件研究了地应力、井筒位置 等对起裂应力的影响；卞康等[17] 利用离散元软件 研究了不同吸水时间下页岩的卸荷力学特性和破 坏模式；梁正召等[18] 使用 RFPA2D 模拟了由两种不 同的岩石材料组成的不同岩层倾角的岩石试件的 力学行为，对其单轴压缩下渐进破坏过程进行了研 究；杨志等[19] 使用 RFPA2D研究了单轴压缩下不同 均质度含不同方向层理面页岩的声发射特性，结果 表明页岩层理面倾角和均质度对其峰值强度、破 裂模式和声发射特性有显著影响. 综合前人研究 可以看出，前人使用 PFC 研究不同层理页岩常规 三轴宏微观力学特性及层理倾角对页岩脆性影响 的成果相对较少，需要进行进一步研究. 因此，本文通过颗粒流程序模拟研究围压和 层理倾角对页岩的力学特性影响. 首先基于“试错 法[20] ”获得一组可以反映室内试验[21] 中 β = 0°、 90°（该角度为层理面与最大主应力间的夹角）页岩 力学特性的细观参数，并通过破坏模式的对比做 了进一步验证. 在此基础上对不同层理倾角页岩 进行常规三轴压缩模拟，研究围压和层理倾角对 页岩力学特性及破坏模式的影响，进一步加深对 深部不同层理页岩的力学特性的了解，以期为相 关工程提供一定参考价值. 1    数值模拟方法 PFC 是常用于模拟岩土材料力学性能的离散 元软件，在其二维模型中颗粒被视为单位厚度的 刚性圆盘并通过颗粒的运动和相互作用来模拟材 料的力学行为. 文献 [22−24] 在采用 PFC 模拟岩石 材料时，表明颗粒间的接触模型选用平行黏结模 型能够较好的反映岩石材料的力学特性，同时考 虑到页岩的各向异性，通过安装光滑节理接触模 型来模拟其层理面. 1.1    数值模型构建 本文对 Yang 等[21] 完成的不同层理倾角页岩 常规三轴压缩试验进行数值模拟研究. 试验中采 用的页岩取自江西省庐山市，该页岩材料属于细 晶结构，密度约为 2750 kg·m−3，孔隙率为 1.2%，主 要矿物成分为白云母、石英、钠长石等. 以 0°与 90°两个角度对岩块进行钻取来获得尺寸为直径 50 mm、高 100 mm 的圆柱体试样. 依据室内试验结果[21] ，在 PFC 中生成与室内 试验尺寸相同的数值试样，直径 50 mm、高 100 mm. 试样中颗粒最小半径为 0.5 mm，最大与最小粒径 比为 1.66，且颗粒大小成均匀分布，颗粒密度为 杨圣奇等： 不同层理页岩常规三轴压缩力学特性离散元模拟 · 431 ·