Effect of initial adhesion on shear strength and deformation characteristics of interfaces in heterogeneous soils
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摘要:
我国黄土高原地区黄土沉积覆盖于新近系三趾马红土之上，形成具有胶结的异质土界面。为研究黏结强度对黄土–三趾马红土界面抗剪强度与变形特性影响，开展其剪切力学试验研究，探讨界面间黏结强度对界面破坏模式、界面变形与抗剪强度特性影响规律。结果表明：(1) 有无界面黏结导致异质土界面试样破坏模式不同，界面黏结增大了试样沿界面间的滑动阻力，试样剪切破坏更趋于剪断模式，剪断面损伤程度也越高；(2) 异质土界面剪应力–剪应变曲线均呈应变软化型，有无界面黏结导致界面试样剪切变形特征不同，有界面黏结试样剪切破坏位移大，峰值强度后剪应力降低幅值大，试样脆性剪断破坏特征越显著；(3) 剪切过程中异质土界面产生明显的竖向剪胀变形，有界面黏结试样竖向剪切位移小，且其随界面粗糙度、法向应力变化幅值小；(4) 异质土界面抗剪强度呈非线性变化，界面黏结存在显著提升了界面试样抗剪强度。当异质土界面间粗糙度较低时，黏结强度对界面试样抗剪强度提升幅度大；当异质土界面间粗糙度高时，黏结强度对界面试样抗剪强度的提升幅度下降，此时界面抗剪强度主要受控于界面两侧土体抗剪强度。
Abstract:In the Loess Plateau of China, the interface between the Loess and Hipparion Red Clay is widely distributed. The initial adhesion between this interfaces plays an important role in its shear strength. To investigate the effect of initial adhesion on shear strength and deformation characteristics of the interfaces, we firstly performed a series of direct shear experiments. Then, we discussed the effects of initial adhesion on failure mode, shear deformation and shear strength of interfaces. The results indicate that the failure modes of interfaces with initial adhesion and interfaces without initial adhesion are different. The initial adhesion improves the sliding resistance of specimen along the interface during shearing, and the failure mode of specimen tends to shear-off with higher damage. The shear stress- displacement curves of interfaces show strain softening shape, indicating the brittle failure of specimens. For interface specimens with initial adhesion, the displacement corresponding to peak strength and the dropping of shear stress after peak strength are greater than that of specimen without initial adhesion. The vertical dilatancy behavior of interfaces during shearing is obvious, however, the initial adhesion reduces the vertical dilatancy displacement of specimens. The variation range of dilatancy displacement of interface with initial adhesion is less than that of specimens without initial adhesion. The initial adhesion significantly improves the shear strength of interfaces. When the interface roughness is lower, the initial adhesion improve the shear strength of interfaces greatly. When the interface roughness is higher, the increment of shear strength of interfaces induced by initial adhesion decreases. This is because the shear strength of interfaces is mainly dominated by the shear strength of heterogeneous soils on both sides of interfaces.
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我国深部煤层气资源丰富，开发利用深部煤层气具有重要的战略意义[1-2]。煤层气来源、成熟度和生烃史等对煤层气的高效开发具有重要影响[3]。与常规天然气相比，煤层气在储层特征、产气和运移方面存在很大差异[4]。现阶段利用煤层气地球化学特征推测成因，有利于指导煤层气勘探开发[5]。
煤层气通常分为生物成因气、热成因气和混合气3种类型，甲烷的稳定碳同位素为判定气体成因的重要参数[6]。热成因甲烷具有较重的δ13C1(−20‰~−40‰)，而生物成因气体具有较轻的δ13C1，一般小于−55‰，甚至低于−60‰[7-9]。由于混合生物气的存在，煤层气的δ13C1相对较轻，当δ13C1在−45‰~−60‰，很难根据δ13C1判定煤层气的成因类型[10-11]。我国煤层气区块内δ13C1一般为−55‰~−20.8‰，通常将其与常规天然气进行对比，可系统分析煤层气解吸、生物作用和地下流体等因素对甲烷碳同位素差异的影响[12-13]。基于不同温度下热模拟实验发现，沁水盆地南部15号煤层和3号煤层δ13C1为–33.7‰~−30.2‰，且镜质体最大反射率(R max)与δ13C1存在良好的相关性[14-15]。受含气量的控制，沁水盆地东南部3号煤层中δ13C1变化较大，分布在−28.89‰~−53.27‰ [15-16]。同时，对大宁−吉县、延川南及临兴等深部煤层气区块地球化学特征及其地质控制因素的研究发现，深部同一煤层内甲烷碳同位素呈现出随煤层埋深增加变重、随水动力条件增强变轻的特点[17-18]。
上述研究成果为我国煤层气的勘探奠定了地质基础，但现阶段缺乏对深部煤层气地球化学特征影响因素的系统剖析。因此，笔者以鄂尔多斯盆地东缘的临兴−神府区块深部煤层气为研究对象，系统测试了8+9号煤层取心解吸气样的气体成分、含量和碳同位素等，分析总结深部煤层气的地球化学特征，结合热演化程度、埋藏深度、地质构造和地下水动力条件等，探讨研究区煤层气成因、碳同位素地球化学成因机制和影响因素，以揭示深部煤层气的赋存和运移历史，丰富煤层气的成因理论。
1 区域地质概况
研究区地处鄂尔多斯盆地的东缘(图1a)，从构造单元上看，处于盆地东缘的晋西挠褶带与伊陕斜坡带东部交界区域，且大部分分布在晋西挠褶带上[19]。伊陕斜坡的基底起伏较小，上覆盖层分布平缓，现今构造面貌表现为自东向西倾的平缓单斜[20-21]。自下而上依次发育奥陶系的马家沟组(O2m)、石炭系的本溪组(C2b)(顶部有煤层发育)、二叠系的太原组(P1t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P2s)、石千峰组(P3sh)、三叠系的刘家沟组(T1l)、和尚沟组(T1h)、纸坊组(T2z)、延长组(T3y)，之后缺失侏罗系、白垩系、古近系及新近系(图1b)。第四系松散沉积物以角度不整合直接覆盖于三叠系延长组(T3y)之上。太原组和山西组是主要的含煤地层。中晚太古代—元古代的岩浆活动主要深埋地下，进入晚古生代后，发生多期火山活动，主要以多层沉凝灰岩形式出现在石炭–二叠系；之后中生代、新生代的岩浆活动较为强烈，主要包括三期：印支期、燕山期和新生代火山活动，其中燕山期为主要活动期，对油气生成具有重要意义。燕山期岩浆活动在区内位于临县北西20 km处形成了紫金山岩体，岩体呈NNW向分布，NW–SE向长7 km，NE–SW向宽4 km，总出露面积达23.3 km2。紫金山岩体是经过多期次岩浆活动形成的，岩体岩性较复杂且各种岩性从内到外呈环带状分布[20]。
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该区本溪组−山西组中累计发育10层煤，煤层总厚度4.6~31.9 m，平均达16.6 m。山西组发育1—5号煤层，厚度0~13.7 m，平均5.4 m，呈现“中间薄，南北两端厚”的分布特征。太原组发育的6号和7号煤层单层厚度不大，且分层较多。本溪组顶部发育的8+9号煤层，两层煤除在局部地区分叉外通常合并为一层厚度较大，主要介于4~11 m，呈现出“中间薄，四周厚”且沿NW−SE向逐渐增厚的分布特征，局部区域达16.4 m，平均为7.0 m。
2 天然气地球化学特征及成因
2.1 气体成分和碳同位素测试方法
本次气样是煤层气参数井取心解吸气，用于实验室气体成分和碳同位素分析。按照GB/T 19559—2021《煤层气含量测定方法》分别在解吸的第1天、第3天、第5天采集气样以备测试。天然气组成测试按照GB/T 13610—2020《天然气的组成分析 气相色谱法》国家标准执行，采用Agilent 7890B 气相色谱仪测定煤层气样品中的气体组分含量。根据中国石油天然气行业标准SY/T 5238—2019 《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》，利用Isoprime VISION同位素测定仪对煤层气样品的碳同位素进行了测定，δ13C1精度为±0.5‰。
2.2 天然气组分特征
通过对研究区63个天然气样品成分测试分析，其结果表明，甲烷(CH4)是研究区煤层气的主要气体成分(图2)，其他还包括二氧化碳(CO2 )、氮气(N2) 、 乙烷、 丙烷 、异丁烷、 正丁烷、 异戊烷和 正戊烷，其气体体积分数见表1。由埋深较浅的气体含量分析可知，研究区没有明显的甲烷风化带，因此，本研究忽略了甲烷风化带的影响。整体上看，气体成分含量体积分数与浅部煤层气区块无明显区别。
表 1 气体成分含量(共计63个样品)Table 1. Gas component contents (63 samples in total)类 别 气体体积分数/% 最小值 最大值 平均值 CO2 0 17.87 5.18 N2 0 3.49 0.60 CH4 75.98 96.20 86.49 乙烷 0 13.04 5.97 丙烷 0 4.27 1.24 异丁烷 0 0.54 0.17 正丁烷 0 0.92 0.23 异戊烷 0 0.25 0.07 正戊烷 0 0.22 0.05 2.3 煤层气碳同位素分布
根据碳同位素分析结果，研究区煤层气的δ13C1为−51.9‰~−38.2‰，平均−42.8‰，当δ13C1为−50‰~−20‰时，主要为热成因气体，因此，初步分析认为研究区的煤层气以热成因气为主；δ13CCO2为−8.6‰~−0.63‰，平均−4.7‰；δ13C2为−27.4‰~−18.7‰，平均−25.3‰；δ13C3为−26.0‰~−14.7‰，平均−22.9‰。在平面上，煤层气的δ13C1从西南向东北具有增大的趋势(图3)。通过对比发现，甲烷δ13C1较浅部小，δ13CCO2较浅部大。
2.4 天然气成因类型分析
1) CO2
研究区 CO2 含量低，其变化幅度较小，介于0 ~17.87%，主要集中在2%~6%，δ13CCO2<−10‰。当煤层气中 CO2 体积分数小于 20%，且 δ13CCO2<−10‰时，可认为 CO2 是有机质经生物作用、热化学作用或氧化作用形成的[22]。因此，判定研究区CO2 为有机成因。
2) 烃类气体
生物气判别的主要依据为δ13C1一般低于−55‰，组成中以甲烷为主，体积分数一般高于95%，干燥系数介于0.95~1，C2/C3>2.0[23-24]。实验结果表明，研究区所测试的井无生物成因气(图4)。在甲烷−乙烷碳同位素应用中，前人普遍认为甲烷受母质热演化程度影响较大，主要反映天然气成熟度。演化程度越高，甲烷碳同位素越高；而乙烷碳同位素比较稳定并且对母源有良好的继承性，主要反映生烃母质类型[25]。通常认为煤成气的δ13C2>−28.8‰，而油型气的δ13C2<−28.8‰。研究区δ13C2均高于−28.8‰，可以判定为煤成气，这与煤层气一般为自生自储的特征相符。
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图 4 临兴−神府地区煤层气成因判识(图版 Whiticar，1999)Figure 4. Discriminant diagram for CBM origin in the Linxing-Shenfu block (Whiticar, 1999)2.5 天然气来源与期次剖析
根据临兴地区8+9号煤层的埋藏史、热演化史及流体包裹体特征对该区煤层的生烃期次进行划分，并确定主生烃期(图5)。自8+9号煤层形成之后，经过石炭–二叠系沉降，在早—中三叠世煤层温度达到80 ℃左右，煤的热演化程度达到生烃门限Rmax=0.5%，进入成熟阶段，热成因生烃开始[24]。进入侏罗纪后，煤层埋深的频繁波动导致生烃速率也发生变化，在中侏罗世—晚侏罗世早期，煤层再次向下沉降，煤层温度增加，煤化作用强度加强，生气速率也增加，产气率一定幅度增加，表现为一期相对较强的生烃期(生烃期A)。进入早白垩世后，基底的大幅度沉降，煤层埋深大幅增加，煤层温度从120 ℃增加到150 ℃，煤化作用进一步加强，进入主要生烃阶段，生烃速率迅速增加，产气率也极速攀升，这一期为主要的生烃期(生烃期B)，大量油气包裹体的充注也集中在这一期。之后受燕山期和喜马拉雅期的影响，煤层埋深持续变浅，生烃速率快速减弱，在白垩纪末期生烃作用基本结束。由此可见，临兴8+9号煤主要有2个生烃期：第一期为中侏罗世(生烃期A)，该期生烃持续时间较长，平均生烃速率较小，生烃产率一般；第二期为早白垩世(生烃期B)，该期生烃速率较大，生烃产率增加量较高，生气强度达到历史最大，是主要的生烃期。
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图 5 研究区8+9号煤生烃期次划分Figure 5. Hydrocarbon-generating phases of Nos. 8 and 9 coal seams in the study area3 煤层气碳同位素影响因素分析
3.1 热演化程度
常规煤成气烃源岩的成熟度与δ13C1之间存在良好的相关性，但不同煤储层，其相关程度存在差异，δ13C1是用来判断烃源岩成熟度另一种较好的方法。通过煤的镜质体最大反射率(Rmax)来反映煤的变质程度，研究区各取心井Rmax为0.75%~1.46%，多分布在0.85%~1.40%(图6)。同时，δ13C1随着Rmax的增加而增加(图7)。分析认为，破坏13C―13C键的能量大于破坏12C―12C键的能量，且破坏12C―13C键的能量介于二者之间[10]。因此，在热演化的初始阶段，甲烷的产生主要来自于在低温下破坏12C―12C键，而不是破坏13C―13C键[15]。随着储层温度的升高，更多的12C―13C键和13C―13C键断裂。因此，随着热演化程度的增加，热解产生的13CH4显著增加，即δ13C1增加。另一方面，随着热演化程度的增加，煤储层的物理性质发生变化，微孔增多，储层吸附能力也随之增加，由于12CH4的极性较13CH4弱，煤储层容易形成对13CH4吸附的偏好和对13CH4解吸的延迟。因此，煤储层的吸附能力的增加促进了更大的13CH4吸附。
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图 6 8+9号煤层镜质体反射率分布Figure 6. Vitrinite reflectance of Nos.8 and 9 coal seams in the study area研究区煤层气的δ13C1比腐殖型常规天然气轻(δ13C1>−35‰)，分析认为，较轻的煤层气碳同位素是由改造效应的分馏引起的，如次生生物气、水溶解气、解吸扩散迁移效应或CH4和CO2之间的碳同位素交换。但CH4和CO2含量对比发现，CH4和CO2之间的碳同位素交换反应对低含量CO2的较轻煤层气碳同位素值没有明显影响。分析认为，高含量的CH4和CO2以及低温环境是该反应的必要条件，但在较高的煤变质作用下，CO2可能会显著减少，并且很容易溶解在水中或通过扩散效应而发生损失[16]。
3.2 含气性
由实测取心井自然解吸可知，研究区煤层含气量分布在7.59~22.34 m3/t，平均13.59 m3/t，δ13C1与含气量呈正相关(图8)，即δ13C1与煤层气含量之间存在密切关系。在煤层气形成史上，煤储层经历了印支、燕山、喜马拉雅造山运动，形成了断层褶皱分布广泛、埋藏深度不等的复杂地质结构，影响煤层气含量的分布，含气量较高的地区往往意味着存在更大的煤层气生成量和更有利气体保存条件[13]，如储层微孔较为发育、储层压力较高、煤层顶板和底板密封性较好等，这些条件都有利于13CH4的储存，即气体含量越高，就越有可能出现重煤层气碳同位素值，推断煤层气碳同位素的分布与含气量的控制因素之间也存在密切关系。
3.3 埋 深
图9表明，埋深与δ13C1呈正相关。前人研究表明，CH4的碳同位素的分布存在“垂直分区”现象[23]，由于CH4的碳同位素可以被分馏，在扩散和迁移过程中随着12CH4的富集而产生较小的δ13C1，进而导从深到浅垂直分带。研究区在燕山造山运动的构造抬升作用下，煤层气容易出现解吸扩散运移效应(图3)，如上所述，12CH4的极性弱于13CH4，12CH4解吸同时也优先于13CH4，从而在扩散和迁移过程中诱导碳同位素分馏并促进12CH4富集，进而δ13C1表现出随埋深减小而降低。
3.4 地质构造
地质构造是控制煤层气含气量分布特征的重要因素，同时也影响着煤层气碳同位素的分布，研究区典型构造部位的碳同位素测试结果见附表1。在向斜核部、断层应力集中区和褶皱两翼发育区的δ13C1相对较大；在断层应力释放区和背斜核部δ13C1相对较小，说明这些区域的煤层气封存条件较差，不利于煤层气的富集(表2)。分析认为，向斜的轴线和背斜的侧翼通常表现为高含气量和闭合裂缝[16]，这些地区13C1偏重，如L-2井、L-3井和L-5井样品。在断层应力集中区，强烈的煤层变形和气体扩散路径较为复杂，储层呈现出较差的渗透性和较为破碎的煤体结构，相关区域更有利于煤层气吸附与富集，因此，δ13C1也相对较大，如L-1井、L-4井和L-10井样品。在正断层发育区或断层应力释放区(正断层的上盘)，一方面顶底板封闭性较差，煤层气含气量相对较低；另一方面，该区域通常沟通顶底板含水层，地下水渗流能够溶解一部分煤层气，这些部位也就表现出较轻13C1，如L-7井。在背斜的核部同样表现为应力释放，裂缝呈张开状态，不利于煤层气的保存与富集，因此表现出较轻13C1，如L-9井。
表 2 煤层气不同构造位置碳同位素特征Table 2. Carbon isotope characteristics of CBM at different tectonic positions井号 埋深/m Rmax /% δ13C1 /‰ 含气量/(m3·t−1) 构造位置 L-1 1 836.24 1.09 −40.8 8.56 逆断层下盘 L-2 1 756.32 1.12 −40.9 12.48 向斜核部 L-3 2 072.75 1.11 −42.1 17.42 向斜翼部 L-4 1 935.14 1.36 −41.9 15.69 逆断层下盘 L-5 1 865.35 1.36 −40.5 12.56 向斜核部 L-6 1 926.30 1.31 −46.3 18.96 远离断层和褶皱 L-7 2 133.09 1.21 −44.0 16.61 正断层上盘 L-8 1 873.45 1.09 −43.8 18.34 背斜翼部 L-9 1 802.14 1.36 −47.6 19.71 背斜核部 L-10 1 821.12 1.15 −40.3 10.45 逆断层上盘 3.5 水文地质条件
地下水渗流的流体动力学效应不仅影响气体含量的分布，而且有助于煤层气碳同位素的分馏。研究区对煤层段影响较大的含水层为4+5号煤层顶底板砂岩含水层及位于8号煤层顶部的庙沟灰岩及上覆的毛儿沟灰岩含水层。在水动力条件较强的地区不仅煤层含气量相对较低，而且δ13C1较轻；在弱流体动力学或滞流区，煤层的含气量相对较高，但煤层气碳同位素值却没有明显变轻的趋势(图10)。水是弱极性溶剂，遵循“类溶解类”原理，13CH4在水中的溶解度大于12CH4，二者在水中的溶解度差异导致地下水溶解对煤层气碳同位素的分馏效应，也就是说，在径流地下水会带走更多的13CH4，且13CH4同时将被径流区地下水溶解[13]。
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图 10 地下水渗流对煤层气地球化学特征的影响Figure 10. Effects of groundwater seepage on the geochemical characteristics of CBM4 深部与浅部差异及煤层气富集分析
4.1 深部煤层气地球化学与浅部的差异
前人分析表明，在华北板块内与研究区相似的煤级条件下，煤层甲烷碳同位素与埋藏深度呈正相关关系，在埋深800~1 000 m时，δ13C1的拟合统计分布在−57‰~−52‰，在埋深1 500 m左右时拟合统计值分布在−50‰~−45‰，在埋深2 000 m之后基本上不再变化，并保持在−45‰~−35‰[5]。研究区所测试的样品整体分布在拟合值范围内，说明，研究区的δ13C1较浅部相同煤质条件的要重。就烃类气体成因类型而言，我国浅部煤层气区块多表现为热成因气、次生生物成因气和混合气，而研究区所测试的样品均呈现出热成因气。分析认为，一是研究区所测试的样品整体埋深较深，均在1 000 m以深；二是根据埋藏史分析，所测试样品地史最大埋均较深，导致烃类气体均呈现出热成因气。
4.2 深部煤层气富集特征
研究区上古生界煤系烃源岩与致密砂岩、泥岩储层广泛叠置，广泛分布的烃源岩和连续不断的生烃为煤系气的聚集提供了充足的气源和充注动力，导致煤层气垂向运移也相对复杂[26-27]，因此，在研究区内相对较难地从地球化学角度预测煤层气的富集的特征。理论上，随着气体运移方向的增加，甲烷系数增大，δ13C1变轻。前人的研究发现，随着运移距离的增加，天然气烃类组分中甲烷的浓度逐渐增加，而重烃类气体的浓度迅速下降[27-30]。研究区CH4在烃中所占的比例由西南向东北逐渐增加，δ13C1自西南向东北逐渐变重(图3)，这些参数反映了受地层抬升作用的运移分馏效应控制，煤系气存在典型的由西南向东北侧向运移过程。综合对比临兴和神府两个地区的成藏过程、埋深和煤层盖层条件、δ13C1和CH4在烃中所占比例等参数，临兴和神府地区的东南部地区对煤层气富集相对有利，更有利于煤层气富集；同时，整体对比2个区块，临兴区块更有利于煤层气的富集。
5 结 论
(1) 临兴−神府区块煤层甲烷体积分数为75.98%~96.20%，平均86.49%；其他气成分含量较高的为乙烷(平均5.97%)、CO2 (平均5.18%)及丙烷 (平均1.24%)；δ13C1分布在−51.9‰~−38.2‰，平均−42.8‰，主要为热成因气体；δ13C1从SE向NW具有增大的趋势。
(2) 研究区δ13C1随着Rmax、含气量和埋深的增加而增加；在向斜核部区、断层应力集中区和褶皱两翼发育区的δ13C1相对较大；在断层应力释放区和背斜的核部发育区的δ13C1相对较小；在水动力条件较强的地区δ13C1较轻；在弱流体动力学或滞流区δ13C1没有明显的变轻趋势。
(3) 中侏罗世和早白垩世为主要生烃期，中侏罗世生烃持续时间较长，平均生烃速率不高，生烃产率一般；早白垩世生烃速率较大，生烃产率增加值较高，生气强度达到历史最大，是主要的生烃期。
(4) 研究区CH4在烃中所占的比例由西南向东北逐渐增加，煤系气存在典型的由西南向东北侧向运移过程；临兴和神府地区东南部地区有利于煤层气富集。综合对比分析，临兴较神府区块更有利于煤层气的富集。
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图 5 不同接触角界面黏结对试样剪应力–剪切位移曲线影响
Fig. 5 Influence of the initial adhesion on shear stress-displacement curves of interfaces with different contact angles
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图 6 不同法向应力下异质土界面剪切刚度变化
Fig. 6 Variation of shear stiffness of interfaces with different normal stress
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图 7 不同法向应力下异质土界面剪切破坏位移变化
Fig. 7 Variation of the shear failure displacement of interfaces in different normal stress
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图 8 不同界面角度异质土界面水平剪切位移–竖向剪切位移变化
Fig. 8 Shear dilatancy displacement curves of interfaces in different contact angles
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图 9 不同法向应力界面黏结对异质土界面最大竖向剪切位移影响
Fig. 9 Influence of the initial adhesion on the maximum shear dilatancy displacement of interfaces in different normal stress
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图 10 不同角度下界面黏结对异质土界面峰值强度影响随粗糙度变化
Fig. 10 Variation of the influence of initial adhesion on peakstrength of interfaces with different contact angles
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图 11 界面黏结对异质土界面峰值强度影响
Fig. 11 Influence of initial adhesion on peak strength of interface samples
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图 12 不同角度下异质土界面残余强度随法向应力变化
Fig. 12 Variation of residual strength of interface samples with normal stress
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图 13 界面黏结对异质土界面残余强度影响
Fig. 13 Influence of initial adhesion on residual strength of interface samples
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图 16 界面黏结强度对异质土界面峰值强度提高幅度
Fig. 16 Effect of initial adhesion on peak strength of specimens
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