0.   引言

随着工业化的发展，二氧化碳等温室气体的排放大幅增加，这导致了全球变暖、海平面上升等各种灾害^[1]。因此，二氧化碳的捕集与封存技术应运而生。其中，深部咸水层是二氧化碳地质封存的理想场所，具有分布广，埋藏深和储存量大等优点^[2-3]。深部咸水层是一种特殊的地质构造，上覆岩层为低渗透系数盖层，如页岩；储层为高渗透系数岩层，封闭构造内赋存有地层水^[4]。盖层作为储层的上覆结构对CO₂向上迁移起到了物理隔离的作用^[5]。为了保持CO₂处于超临界状态，深部咸水层地质封存时需要将CO₂注入到至少800 m的含水层。在这样的深度下，咸水的盐度通常都很高^[6]。所以，开展盐水环境下盖层岩石的力学特性研究对保障二氧化碳地质封存工程安全稳定具有重要的实践意义。

在水溶液环境下，页岩在微观上会发生一系列物理变化和化学变化。薛华庆等^[7]和刘向君等^[8]借助扫描电子显微镜对水化前后的页岩样品进行微观表征，发现了水化作用可以增加页岩内的裂缝条数及宽度，结合水化应力实验结果，得出了硬脆性页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合的结论。Silva等^[9]开展了对水溶液浸泡后页岩的微观试验，结果表明水溶液溶解了岩石基质中的部分矿物，如方解石和绿泥石，增加了其孔隙度，从而降低了其强度。Dehghanpour等^[10]开展了对页岩试样在去离子水、不同浓度的氯化钾溶液中的自发吸渗试验，发现盐水摄入会导致试样产生微裂缝，从而提高了试样的吸胀率。

岩石在微观层面上的物理化学变化会引起其宏观力学性能的显著改变，因此许多学者对水溶液浸泡后岩石的宏观力学特性进行了一系列的研究。Jiang等^[11]对水浸泡一个月后的泥岩试样开展了单轴压缩试验，结果表明其单轴抗压强度大幅下降，借助电子显微镜和X射线衍射观察分析，发现了水引起黏土矿物的体积膨胀和碳酸盐矿物的溶解是其强度劣化的主要原因。腾俊洋等^[12]对不同含水率的层状页岩开展了抗拉强度试验，发现了水对含层理页岩的抗拉强度的损伤作用主要是通过层理来实现的。AL-Bazali^[13]研究了盐水溶液对页岩试样单轴抗压强度的影响，发现离子扩散渗透到页岩中会导致岩样抗压强度降低，且这种离子扩散渗透对页岩试样强度的有害影响远远大于化学渗透的有利影响。Lü等^[14]对不同盐水溶液浸泡后页岩试样开展了膨胀率测试和单轴抗压试验，发现盐水溶液的类型和浓度对页岩的膨胀收缩趋势和抗压强度有明显影响。

综上所述，前人从微观和宏观两个角度对水溶液浸泡后页岩展开了研究，获得了水溶液浸泡后页岩矿物成分、微观结构、质量、体积膨胀率、抗拉强度、抗压强度等物理力学参数的变化规律。然而，常作为二氧化碳地质封存理想盖层的页岩地层长期处于高地应力、高盐度的和富含离子的环境，盐水类型和围压对页岩的力学行为的影响作用机制尚不明确。所以，本文选取页岩作为试验对象，主要研究NaCl与K₂SO₄溶液浸泡后饱和页岩的物理力学性质变化，重点分析在不同围压作用下，不同溶液对页岩抗压强度、弹性模量和脆性指标的影响，并对盐水溶液浸泡后饱和试样的破坏特征进行观察和分析，为评估二氧化碳地质封存中盖层页岩的力学稳定性提供一定的参考。

1.   试验概况

1.1   岩性特征和岩样制作

因为页岩具有低孔隙度、低渗透率、力学性质坚固等特点，可以有效封堵储层中的二氧化碳向上逸散，因此页岩是二氧化碳地质封存的理想盖层岩石^[15]。本文试验选用的页岩试样采自四川省宜宾市。因为页岩是一种高度各向异性的岩石，其各向异性特征会显著影响力学特性^[16-17]，故选择了水平层理岩块，统一垂直于层理面钻取试样，并按照国际岩石力学学会的建议方法，将岩样加工成直径约50 mm，高度约100 mm的圆柱体岩样，其层理面平行于端面，如图 1（a）所示。页岩试样的数字显微镜观察结果（图 1（b））表明该页岩表面较致密，无明显裂纹。

图  1  页岩试样及其三维显微镜观察结果

Figure  1.  Shale specimens and observed results by 3D microscope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   页岩浸泡方案

深部咸水层含有多种离子，以四川盆地为例，其含有Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Cl^-，SO₄^2-和HCO₃^-等离子，而Na⁺，K⁺，Cl^-，SO₄^2-平均占了93%左右^[18]。因此，本次试验试样选用了NaCl溶液与K₂SO₄溶液进行浸泡。盐水中NaCl浓度最高可达23%（质量比），而一些富钾盐水中K₂SO₄浓度最高可达5.47%（质量比）^[19]，故本文将试验的NaCl溶液与K₂SO₄溶液浓度均设置为5%。浸泡选用蒸馏水配置溶液，化学试剂选用分析纯NaCl与分析纯K₂SO₄，纯度均不少于99%。另外再设置一组蒸馏水作为对照试验。配制溶液时采用玻璃棒搅拌均匀，保证容器底部无沉淀残留物。将干燥岩样放置到真空干燥器内，加入配制好的盐水溶液，抽真空浸泡饱和，并定期进行称重。如图 2所示，各组页岩试样质量在浸泡35 d时达到稳定，可视为基本达到饱和状态，但盐水与岩石矿物的反应需要较长的时间，因此继续浸泡至满六个月后开展室内试验。

图  2  页岩试样饱和过程中质量累计增加量随浸泡天数的变化趋势

Figure  2.  Change of cumulative mass of shale specimens under saturation against time

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   三轴压缩试验系统和加载程序

页岩三轴压缩试验是在中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的GCTS RTX-4000高温高压岩石三轴试验系统上进行的。该试验系统具有3套独立的闭环控制加载设备，可分别控制轴压、围压和孔隙压力，系统的最大轴向力为4 000 kN，最大围压为140 MPa。试验过程中采用声发射同步监测，声发射阈值设置为50 dB。可存储CO₂的深部咸水层理想深度为1200~1500 m^[19]，故将本次试验的围压分别设置为0，15，30，45 MPa。常规三轴压缩试验中围压加载速率设置为5 MPa/min，轴向采用应变控制准静态加载方式，其加载速率为0.06 %/min。

2.   不同盐水溶液浸泡后页岩力学特性试验结果

2.1   不同盐水溶液浸泡后页岩应力-应变曲线

图 3，4为干燥和不同盐水溶液浸泡后页岩试样的应力-应变曲线，图 3，4中标注的数值为围压值。从整体形态上看，页岩试样都经历了初始压密阶段、线弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段。在单轴压缩下，尤其是盐水溶液浸泡后页岩试样的压密阶段较为明显，这说明盐水溶液浸泡后试样内微裂纹和微孔隙增多，其致密性有所减弱。围压对页岩试样的强度和弹性模量有显著的强化作用。干燥试样的破坏大多为脆性破坏，表现为应力达到峰值后在短时间内断崖式跌落。在围压作用下，盐水溶液浸泡后试样破坏后应力出现了多次跌落，最终出现屈服平台，说明在围压作用下试样的延性增强。而且，可以发现不同溶液浸泡后试样也更容易出现延性破坏，说明水溶液对试样颗粒有润滑和软化的作用，这与Al-Bazali发现的现象相同，这是由于页岩的微观结构在溶液浸泡后发生了改变，颗粒间的摩擦减小，颗粒间可以彼此滑动以适应不断增加的应力，导致延性增强^[20]。

图  3  干燥页岩试样常规三轴压缩偏应力-应变曲线

Figure  3.  Conventional triaxial compression stress-strain curves of dry shale specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  不同溶液浸泡后页岩试样常规三轴压缩应力-应变曲线

Figure  4.  Conventional triaxial compression stress-strain curves of shale specimens saturated with different solutions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   不同盐水溶液浸泡后页岩变形特性

分析不同盐水溶液浸泡后页岩试样的弹性模量可以一定程度上得知试样的损伤程度。本文中，弹性模量E_S取近似直线段的斜率。图 5结果显示围压和盐水溶液对页岩的弹性模量影响显著，不同溶液浸泡后试样的弹性模量相较于干燥试样均有不同程度的下降。在0，15，30，45 MPa围压作用下，干燥试样的弹性模量分别为19.29，27.62，29.61，30.36 GPa，纯水浸泡后试样的弹性模量分别为17.78，21.67，23.74，24.47 GPa，降低幅度分别为7.83%，21.54%，19.82%，19.40%，这说明饱水后页岩试样发生了软化。对于不同盐水溶液浸泡后试样，其弹性模量相较于纯水浸泡后试样呈现出不同的变化趋势，以围压15，30 MPa为例，5%NaCl溶液浸泡后试样的弹性模量相较于纯水情况分别下降34.84%，36.08%，这说明相较于纯水浸泡，5%NaCl溶液浸泡会进一步加剧对页岩试样的损伤，具有更加显著的软化作用。这是由于离子的扩散渗透作用加大了对页岩试样的损伤。然而，同样在围压15，30 MPa情况下，5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的弹性模量相较于纯水浸泡后试样分别上升了5.02%，1.34%。总体上看，相较于5%NaCl溶液浸泡后试样，5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的弹性模量有所提升，这说明K₂SO₄溶液能够一定程度上加强试样的轴向抗变形能力。

图  5  围压和盐水溶液对页岩试样弹性模量的影响

Figure  5.  Effects of confining pressure and brine solution on elastic modulus of shale specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

值得注意的是，盐水溶液浸泡后试样的弹性模量下降明显，这是因为盐水侵入了其层理面，溶解和侵蚀了矿物，有的试样甚至形成了平行于端面并贯通试样的层理断面，这使得试样具有很大的初始损伤，导致其层理弱面效应增强，从而极大地劣化了其弹性模量。然而，在围压45 MPa作用下5%NaCl溶液浸泡后试样的弹性模量劣化程度较小，观察其破坏模式（图 12）可知，这是因为盐水溶液没有使其形成明显的层理断面，所以对其弹性模量的劣化影响较小。

为了进一步了解试样加载过程中体积变形情况，以围压30 MPa为例，对不同溶液浸泡后试样的偏应力-体积应变曲线进行分析，如图 6所示。从中发现，不同盐水溶液浸泡后试样均先经历以压缩为主导的压缩变形，当达到体积应变最大值后反向增大，呈现以剪胀为主导的剪切变形，最终发生变形破坏。相较于其它溶液浸泡，5%NaCl溶液浸泡后试样的最大体积应变值最小，说明在相同偏应力条件下，该组试样更容易发生体积扩容，从而发生变形破坏。

图  6  不同溶液浸泡后页岩试样偏应力-体积应变曲线（30 MPa）

Figure  6.  Deviatoric stress-volumetric strain curves of shale specimens saturated with different solutions(30 MPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   不同盐水溶液浸泡后页岩强度特性

图 7给出了围压和盐水溶液对页岩试样峰值强度的影响曲线，其中峰值强度σ_S是峰值偏应力σ_P与围压σ₃之和。从中发现，与干燥试样相比，纯水浸泡后试样的峰值强度整体上出现了下降，但下降幅度较小，这是因为本文页岩试样孔隙度小、致密性高，而且其黏土矿物含量较低。然而，盐水溶液浸泡后试样的峰值强度下降明显，且不同盐水溶液对页岩强度劣化影响程度不同。当围压分别为0，15，30，45 MPa时，纯水浸泡后试样的峰值强度分别为158.8，308.1，340.5，468.4 MPa，5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的峰值强度分别为119.7，225.3，291.5，367.8 MPa，与纯水浸泡相比，5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的峰值强度分别下降了24.6%，26.9%，14.4%，21.5%，而5%NaCl溶液浸泡后试样的峰值强度分别为63.7，191.6，235.1，323.8 MPa，与纯水情况相比分别下降了59.9%，37.8%，31.0%，30.9%。通过对比分析以上不同盐水溶液浸泡后页岩峰值强度的下降幅度，可以得知5%NaCl溶液浸泡对页岩试样的峰值强度影响最大，表现出更强的劣化作用，其次是5%K₂SO₄溶液浸泡。这与Lü等^[14]的结论有相似之处，即相较于钠离子，钾离子对页岩抗压强度的提高有明显影响。综上所述，盐水中离子的扩散渗透作用对页岩的强度特性具有较大的不利影响，但钾离子对页岩试样抗压强度的加强作用不可忽略。

图  7  围压和盐水溶液对页岩试样峰值强度的影响

Figure  7.  Effects of confining pressure and brine solution on peak strength of shale specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

莫尔-库仑强度准则认为岩石的破坏取决于最大主应力${\sigma _{\text{1}}}$和最小主应力${\sigma _{\text{3}}}$，而且两者具有线性关系，如下式所示：

式中：${\sigma _0}$为岩石单轴抗压强度；q为围压相关系数；c，φ分别为黏聚力和内摩擦角。

如图 8所示，干燥和不同溶液浸泡后试样峰值强度与围压之间的线相关系数R²为0.951~0.989，峰值强度与围压近似成线性关系，说明莫尔-库仑强度准则可以较好预测围压对试样强度的强化作用。因此，从莫尔-库仑强度理论分析不同溶液浸泡后页岩试样的黏聚力和内摩擦角具有一定参考意义。

图  8  不同盐水环境下页岩峰值强度与围压的关系

Figure  8.  Relationship between peak strength of shale and confining pressure in different brine environments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据页岩试样在不同围压下的峰值强度，采用莫尔-库仑准则可以计算出黏聚力c和内摩擦角φ。如图 9所示，相较于纯水浸泡后试样，5%NaCl和5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的黏聚力分别下降了50.58%，19.29%，说明盐水溶液浸泡后试样的黏聚力有明显的降低，且5%NaCl溶液浸泡对试样黏聚力的削弱程度更大。页岩试样在盐水溶液浸泡后其颗粒膨胀，颗粒半径增大，使得毛细管力减小，这是其矿物颗粒间黏结力减小的主要原因之一^[12]。其次，相较于干燥试样的内摩擦角，纯水浸泡后试样的内摩擦角下降了4.60%，这是因为水对页岩试样具有润滑作用，减小了其颗粒间的摩擦，而5%NaCl，5%K₂SO₄溶液浸泡后试样的内摩擦角分别下降了10.93%，11.60%，相较于纯水浸泡，盐水溶液浸泡后试样的内摩擦角下降幅度更大，这是由于盐水能导致试样产生更多微裂纹，使得水溶液能够更完全地侵入岩样内部，加强了盐水溶液对试样颗粒的润滑作用，从而造成了盐水溶液浸泡后试样的内摩擦角降低更为明显。

图  9  盐水溶液对页岩试样黏聚力和内摩擦角的影响

Figure  9.  Effects of brine solution on cohesion and internal friction angle of shale specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   盐水溶液对页岩损伤破坏机制分析

3.1   不同盐水溶液浸泡后页岩矿物成分分析

根据矿物成分含量分析结果，本文页岩试样主要矿物成分为石英，方解石，白云石、钾长石、斜长石、萤石和伊利石。

分析表 1可知，各组页岩试样的脆性矿物（石英、方解石和白云石等）含量均为84%左右，然而不同溶液浸泡后试样的伊利石含量出现了小幅下降。在微观上，作为黏土矿物的伊利石遇水膨胀，具有较大的膨胀压力，这会引起矿物颗粒的体积膨胀，从而使其松散、破碎，这是盐水溶液浸泡后试样出现强度劣化和变形软化特征的主要原因之一。

表  1  各组页岩试样矿物成分含量

Table  1.  Mineral composition of each group of shale specimens

浸泡 溶液	矿物成分含量/%
	石英	方解石	白云石	伊利石	钾长石	斜长石	萤石
干燥	48.4	17.5	18.1	12.5	1.2	1.4	0.8
纯水	64.4	12.6	6.8	9.4	0.4	3.4	3.1
5%NaCl	50.9	18.1	14.9	10.7	2.4	2.6	0.4
5%K2SO4	57.2	15.2	12.3	10.2	0.8	2.5	1.8

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.2   不同盐水溶液浸泡后页岩微观结构

为了从微观角度分析盐水溶液对页岩损伤破坏的机制，采用了偏光显微和电镜扫描观察了不同盐水溶液浸泡后页岩的微观结构。如图 10（a）所示，页岩具有较为明显的层理特征，其矿物呈定向排列。图 10（b），图 10（c）可以观察到页岩的层理缝。观察图 10（d）可知，盐水溶液浸泡后试样中存在较多的微孔隙。

图  10  不同溶液浸泡后页岩试样偏光显微结果

Figure  10.  Polarized light microscopy results of shale specimens saturated with different solutions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 11为干燥和不同溶液浸泡后页岩的电镜扫描结果，可以发现干燥试样的表面较为致密，纯水浸泡后试样具有若干条微裂纹，盐水溶液浸泡后试样具有较多的微裂纹和微孔隙。通过以上微观试验得知，页岩试样存在层理缝，而且纯水和盐水溶液浸泡后页岩试样的微裂纹和微孔隙较多，这为盐水溶液能够逐渐侵入页岩而最终形成层理弱面提供了条件。

图  11  不同溶液浸泡后页岩试样电镜扫描结果

Figure  11.  Electron microscope scanning results of shale specimens saturated with different solutions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.3   不同盐水溶液浸泡后页岩破坏模式

图 12为不同盐水溶液浸泡后页岩试样的破坏模式，可以发现围压和盐水溶液对页岩的破坏模式有明显影响。在单轴情况下，页岩的破坏程度较大，均有多条贯通岩样上下端面的轴向裂纹，破坏模式为典型的张拉劈裂破坏。在有围压情况下，页岩破坏模式呈现剪切破坏。在相同围压下，对比不同溶液浸泡后试样的破坏模式，可以发现不同溶液浸泡后试样的次生裂纹相较于干燥情况下明显增多。而且，次生裂纹以沿层理方向为主，在单轴情况下其沟通了轴向拉伸裂纹，而在三轴情况下大多与斜剪切裂纹相交汇。

图  12  不同溶液浸泡后页岩试样破坏模式

Figure  12.  Failure modes of shale specimens saturated with different solutions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本文页岩试样的黏土含量较低，而且页岩基质表面致密，上述因素都表明本文岩样的亲水性较弱，黏土矿物的溶解和膨胀作用对页岩的力学性能的劣化影响是有限的。已有学者对页岩的层理结构展开了研究，发现页岩试样层理的矿物排列具有方向性，沿层理方向分布着微孔隙、裂隙，微孔隙，裂隙主要发育于石英、片状伊利石、碳酸盐矿物颗粒^[12]。因此，结合前文的力学特性和破坏特性，可以得出盐水溶液对页岩试样的损伤主要是通过层理弱面来实现的，盐水通过层理弱面的微孔隙、裂隙逐渐侵入页岩试样，通过离子的扩散渗透作用，不断溶解和侵蚀层理面的矿物成分，逐渐改变了页岩试样内部的微观组成和结构，最终导致页岩宏观力学特性出现劣化现象。

3.4   不同盐水溶液浸泡后页岩的声发射特征

在不同盐水溶液浸泡后页岩试样的加载过程中，同步采用声发射监测手段，选取围压45 MPa的试验结果为例进行分析。

从图 13可以发现，在加载过程中试样的声发射计数与其应力状态有密切联系，干燥和纯水浸泡后试样的声发射特征可以总结为“少次高峰”，具体表现为较高的声发射计数出现次数较少，基本只在弹性阶段前和峰值强度处出现较高的声发射计数，说明干燥和纯水浸泡后试样初始损伤较小，在峰前产生的微裂纹较少，大多数裂纹的产生与贯通集中在峰值强度附近。然而，对比盐水溶液浸泡后试样的声发射特征，可以总结为“多次低峰”，具体表现为出现明显声发射计数的次数较多，而每次的声发射计数较低，其声发射计数在峰前和峰后阶段多次达到较大值，这与盐水溶液浸泡后试样在压缩前初始损伤较大和破坏后出现的延性特征有关。盐水溶液浸泡后试样的微裂纹增多，而且裂纹大多数为平行于断面的横向裂纹，这些微裂纹在加载过程不断发育，形成了多条剪切裂纹和拉伸裂纹，从而对应其应力-应变曲线出现了多次应力跌落的现象，随着进一步的压缩加载，这些逐渐发育的裂纹与主裂纹产生交汇并逐渐贯通试样，试样最终形成了宏观裂纹，而且宏观剪切面之间出现了摩擦滑移现象，颗粒彼此间剧烈的滑动摩擦作用是其峰后屈服平台出现较高声发射计数的原因。

图  13  不同溶液浸泡后页岩试样加载过程中声发射计数

Figure  13.  Acoustic emission counts during loading process of shale specimens saturated with different solutions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   基于能量平衡的盐水环境下页岩脆性指标分析

4.1   岩石全应力-应变过程的能量平衡理论

在岩石受载破坏的全过程中都伴随着能量的变化，受载岩石系统内部的能量转换大致分为：能量输入、能量累积、能量耗散和能量释放4个过程^[21]。岩石变形破坏的本质是能量的耗散与释放，岩石耗散输入的能量导致内部微缺陷的不断发展、强度不断弱化并最终丧失，而弹性能作为岩石破坏的内在动力，在岩石达到储能极限时弹性能突然释放导致岩石发生破坏^[22]。

根据热力学相关定律，假设岩石材料的破坏过程与外界不存在热交换，忽略岩石加围压过程的能量累积，则在峰前阶段，外力做功所产生的能量会转化为耗散能dW_d和总弹性能dW_et。在图 14中，蓝色的区域Ⅰ为耗散能dW_d，绿色的区域Ⅱ为总弹性能dW_et。在峰后阶段，因为本文试验的应力应变下降模量M均为负值，故本文不同溶液浸泡后试样破坏类型属于Ⅰ类脆性破坏。当岩石累积的弹性能不足以完成岩石破裂过程，需要持续从外界吸收能量来维持岩石宏观裂纹的扩展，将岩石发生破坏所需要的能量定义为破裂能dW_r，即对应图 14中绿色区域Ⅱ与橙色区域Ⅲ的面积之和。对于出现残余强度的试样，试样内还有剩余的弹性能还未完成释放，将这部分能量定义为残余弹性能dW_er，即对应图中红色区域Ⅳ的面积。

图  14  岩石压缩破坏过程中的能量演化情况

Figure  14.  Energy evolution of rock failure process based on stress-strain curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   基于能量平衡的页岩脆性指标分析

脆性是岩石一个重要的力学参数，它一般是指岩石材料产生很小或没有产生塑性变形时就发生破裂的性质^[23]。页岩常被作为深部咸水层地质封存二氧化碳中的良好盖层，研究盐水环境下页岩的脆性可以对深部咸水层地质封存二氧化碳工程的稳定性和安全性评估提供一定的理论基础。

基于能量平衡来评价岩石的脆性指标可以一定程度上反映岩石变形破坏的内在变化机制。为了考虑岩石加载过程应力-应变全过程的能量变化规律，以及将岩石压缩过程中的峰前和峰后特征之间建立联系^[24]。结合本次试验的应力应变曲线，不同溶液浸泡后页岩试样的曲线总体上具有明显的延性特征，这特别适合采用Kivi^[25]提出的基于能量平衡的公式来评估页岩的脆性指标：

然而，本文干燥页岩试样虽然也有峰后的曲线，但试样在达到峰值强度后会立即发生失效破坏，说明岩石在峰前就累积了足够的能量而发生破坏，不需要在峰后继续获取能量，因此这时考虑峰后的破裂能就不能吻合岩石真实的破坏过程。因此，为了更好的将干燥页岩试样与不同盐水溶液浸泡后页岩试样的脆性一起进行评价，本文在Kivi提出的基于全应力-应变过程能量平衡的脆性评价指标基础上，结合试样的峰后应力应变曲线的变化情况，引入比例系数k，得到了一个优化后的脆性指标，

其中在试样在达到峰值后，直接发生失效破坏时，取k=0；在试样在峰后阶段继续加载获取能量或者出现延性特征时，取k为0.5。

采用优化后的脆性指标（式（3））对本文页岩试样进行脆性评价，计算结果可见表 2，进而可以得到干燥和不同溶液浸泡后试样脆性指标的变化曲线，如图 15所示。从中看出，相较于干燥试样，不同溶液浸泡后试样的脆性指标总体上都呈现了不同程度下降的趋势。以围压0 MPa为例，相较于干燥试样，纯水、5%NaCl和5%K₂SO₄溶液浸泡后试样脆性指标分别下降了14.47%，28.31%，27.23%。所以整体上来说，盐水溶液浸泡比纯水溶液浸泡对页岩试样脆性指标的影响更大，会使其脆性指标大幅下降，这与盐水溶液浸泡后试样应力-应变曲线在峰后阶段更容易出现延性特征相对应。随着围压的增大，各组页岩试样的脆性指标总体上都呈下降趋势，这说明围压作用能一定程度上降低试样脆性。

表  2  各组页岩试样BI₂值

Table  2.  Values of BI₂ of each group of shale specimens

浸泡溶液	围压/MPa
	0	15	30	45
干燥	0.88	0.70	0.64	0.53
纯水	0.76	0.66	0.50	0.63
5%NaCl	0.63	0.53	0.50	0.29
5%K2SO4	0.64	0.59	0.37	0.40

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  15  盐水溶液对页岩试样脆性指标的影响

Figure  15.  Effects of brine solution on brittleness index of shale specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   结论

本文对不同盐水溶液浸泡后页岩试样进行了常规三轴压缩试验，研究了不同盐水溶液对页岩力学行为的影响，并对其损伤破坏机制进行了分析，最后对页岩试样进行了脆性评价。主要得到4点结论。

（1）干燥页岩试样大多发生脆性破坏，而不同溶液浸泡后页岩试样的应力-应变曲线在峰后整体上出现了延性特征。这与水溶液对试样颗粒的润滑和软化作用密切相关。

（2）与干燥页岩试样相比，不同溶液浸泡后试样的峰值强度和弹性模量都呈现了不同程度的下降趋势。其中，5%NaCl溶液浸泡对力学参数的劣化影响最大，其次是5%K₂SO₄溶液浸泡。盐水溶液对页岩峰值强度和弹性模量等参数的劣化影响主要通过降低矿物晶粒间的黏聚力及颗粒之间的摩擦系数引起的。

（3）与干燥页岩试样相比，不同盐水溶液浸泡后页岩试样破坏模式的次生裂纹明显增多，而且次生裂纹以沿层理方向为主。这是因为盐水溶液通过层理面侵入页岩内部，溶解和侵蚀了层理面的矿物成分。试样单轴破坏模式均表现为轴向劈裂破坏，在有围压下表现为剪切破坏。

（4）与干燥页岩试样相比，盐水溶液浸泡后页岩试样的脆性指标下降明显。而且，围压作用能一定程度上降低试样脆性。