<储层地质力学>岩石抗拉强度详解

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本节课程Zoback教授讲解了岩石的抗拉强度，抗拉强度是水力压裂作业中裂缝扩展研究中的重要参数。不同岩性抗压强度、抗拉强度分布条形图如下图所示，虽然抗压强度和抗拉强度的分布范围很广，但是抗拉强度明显低于抗压强度，仅为抗压强度的十分之一，且当岩石内存在裂隙时，抗拉强度可能不足1MPa。

认识岩石的抗拉强度，主要是为了研究地层裂缝扩展特征，井周缝网的形成有助于地下化石能源的采出。因为没有有效的检测手段，对于水力压裂裂缝的形态一直存在很大争议。

如上图所示，Zoback开展了不同应力环境下，裂缝形态的研究；在深部地层，上覆岩层压力较大，一般水平地应力为最小应力，沿水平最大主应力方向，产生垂直于最小主应力的垂直裂缝。在浅部地层，上覆岩层压力为最小主应力，通常产生水平裂缝，室内实验也证实了这一理论的正确性。

基于岩石断裂力学理论，在水力压裂过程中，裂缝内压力增大，并传导至裂纹尖端，使得裂纹尖端的应力强度因子超过岩石本身的断裂韧度，这时裂纹会继续向前延伸扩展。在断裂力学理论中，裂纹尖端的应力强度因子还分为I型、II型和III型应力强度因子<岩石断裂韧性研究现状综述、科技最佳进展奖｜超深碳酸盐岩断裂带储层高通道酸压力学机制研究及应用>，感兴趣的读者可以继续学习这方面的著作。

Zoback教授还研究了裂缝的扩展压力，如上图所示，当地层内裂纹的长度达到1m以后，对于非常坚硬的岩石来说，裂缝内压力与最小主应力的差值仅需50psi，既会导致裂纹的继续扩展；对于强度很低的岩石来说，裂缝内压力与最小主应力的差值仅需25psi，既会导致裂纹的继续扩展。可见，裂缝的扩展主要与最小应力的值有关，50psi转为MPa，是可以忽略的，裂缝扩展压力基本上与岩石的强度无关。