层理方位对页岩断裂性能与裂缝延展模式的影响

对层理与试样底面夹角θ为0°、30°、45°、60°、90°的四川盆地海相页岩SCB试样实施三点弯加载,获取试样在三点弯加载条件下载荷-位移关系和临界断裂荷载,并计算页岩断裂韧度K_(IC)和断裂功,结合页岩储层压裂实践,探讨了层理方位对压裂裂缝曲折度的影响模式。研究表明:(1)随θ增大,页岩试样断裂韧度呈递减趋势,K_(IC)均值由1.88降至0.43 MPa·m^(0.5),层理方位对页岩断裂性能具有显著控制;(2)三点弯加载下页岩试样载荷-位移曲线包括加载初期缺陷压缩、弹性压缩变形及破裂卸载阶段。载荷增大到临界断裂荷载后页岩试样瞬时破坏,反映研究区页岩脆性显著;(3)按断裂力学机制,本次试验页岩断裂形式包括张性断裂和剪切断裂2种,按裂缝曲折度分为平直裂缝与曲折裂缝,当θ<45°时,页岩裂缝延展受加载方向和层理综合影响,易形成复杂曲折裂缝网络,反之θ≥45°时,则形成沿层理方向的单一平直裂缝;(4)页岩断裂功与页岩断裂韧度间具有较好的线性相关性,表明页岩断裂性能能够影响裂缝的延展路径选择;(5)选择大角度相交层理方向实施射孔或预切缝,使压裂裂缝沿该方向开裂扩展,能够最大程度营造压裂裂缝网络,提升页岩储层压裂改造效率。

SCB试验测试固井水泥断裂力学性能

为了给深部煤层气井固井材料优化、井筒环空结构耐久性提升及封隔能力科学评价预测提供理论依据,利用半圆盘三点弯曲加载(SCB)试验对煤层气井用常规固井水泥(PC)与纤维固井水泥(FC)试样在干燥态、净水及矿化水浸泡条件下的断裂力学性质进行了分析。研究结果表明:①加载位移—载荷曲线与试样断裂速率显示,PC试样断裂形式为脆性断裂,而FC试样呈现类似金属的韧性断裂特征,同等条件下PC试样断裂速率约为FC试样的10倍;②干燥、净水及矿化水浸泡下,PC试样断裂韧度分别为0.53 MPa·m^(0.5)、0.36 MPa·m^(0.5)、0.40 MPa·m^(0.5),FC试样断裂韧度分别为0.49 MPa·m^(0.5)、0.35 MPa·m^(0.5)、0.39 MPa·m^(0.5);③材料断裂能量耗散计算结果显示,相同环境介质条件下FC受压断裂全程耗能为PC的20~30倍;④干燥状态下固井水泥试样优选矿物晶界部位开裂,因而试样断口粗糙或断裂路径曲折,而净水及矿化水浸泡环境下固井水泥试样多沿矿物溶蚀缺陷断裂从而易形成平直裂缝。结论认为,刚度效应与应力集中效应是导致PC断裂韧度略高于FC的关键机制,FC中的纤维通过拉拽和应变协调机制使试样均匀分担外部载荷,从而起到很好的能量分散和载荷缓冲效果,FC表现出的能量耗散性能值得深部煤层气井固井材料优化关注,水的软化作用对于固井水泥材料断裂力学性质的影响非常显著。