Study on hydration damage and shear characteristics of regular shale toothed structure planes
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摘要:
页岩储层在压裂改造后，地层滑移使套管变形频繁出现，严重影响施工与生产。为了解页岩储层结构面水化损伤及水化前后的剪切特性，采用川南龙马溪组页岩试样，预制了10°和40°的2种规则齿形结构面，模拟了不同粗糙度的断层特征，并在四级法向应力下进行了水化直剪试验。试验结果显示：1）40°高起伏角度结构面在水化后表现出塑性变形特征，剪切位移−剪应力曲线呈阶梯式上升，剪切刚度下降约16.3%；而10°低起伏角度结构面则以摩擦滑移为主，剪切刚度波动较小。高法向应力（≥5MPa）会加剧水化对结构面的破坏作用，但长时间水化（≥24 h）会使破坏促进作用趋于上限。2）在水化初期（1～2 h），40°高起伏角度结构面抗剪强度平均降低了13.05%，最终整体降低了18.19%，粘聚力与内摩擦角分别降低了16.31%和16.57%。相比之下，10°低起伏角度结构面的抗剪强度参数受水化影响较小，波动范围不足5%。3）10°低起伏角度结构面在水化360 h后出现微孔洞连通和矿物分层现象，而40°高起伏角度结构面则形成大尺寸张拉裂缝，表面粗糙度增加。这种差异源于高角度结构面的黏土矿物分布更集中，水化软化效应更显著，导致脆性降低和塑性增强。研究结果可为页岩储层压裂设计与套管防护提供理论依据。
Abstract:After the fracturing of unconventional shale reservoirs, formation slip makes casing failure occur frequently, it seriously affect the construction and production. In order to understand the influence of fracturing fluid hydration on reservoir structural planes, this study carried out hydration operations on two structural planes of 10° and 40°, and carried out direct shear experiments under four-level normal stress. The results show that : (1) The shear displacement-shear stress curve after the hydration of the structural plane shows the characteristics of irregular stepped rise and shear stiffness decrease, and it shows certain plastic characteristics for high undulating angle structural plane. (2) Hydration plays a promoting role in the destruction of structural planes, and the promoting effect is more obvious under high normal stress, while hydration for a long time will make the promoting effect reach the upper limit. (3) The effect of hydration on the strength and average shear strength parameters C and ϕ of 10° structural plane is not obvious, and they fluctuate in a small range. The strength and C and ϕ values of 40° structural plane decrease sharply after hydration, and tend to be stable rapidly. The overall average decrease of strength is 18.19 %, and the decrease of C and ϕ values is about 16.30 %. (4) The microscopic characteristics of the failure surface show that with the increase of hydration time, the surface of the 10° structural plane will gradually form micro-pores and communicate with each other, resulting in mineral stratification. The 40° failure surface is relatively flat and smooth. With the increase of hydration time, the roughness gradually increases, and tensile cracks are formed after the test.
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Keywords:
- shale /
- dentate joints /
- hydration /
- rock mechanics /
- microstructure
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我国页岩气的储量十分可观，其具有安全、高效、清洁等优点，是煤炭等高碳能源的优良替代品[1–3]。页岩地层的孔隙度（3%～5%）与渗透率极低（≤1mD），页岩气通常以游离态赋存于其中，勘探开发十分困难，需要采取压裂、酸化等改造措施，提高地层的导流能力，才能满足商业化开采[4–5]。压裂改造是指将高压流体注入到目标地层中，使原有微小裂缝在张拉作用下不断向远端延伸，沟通断层与天然裂缝，形成分支缝并扩张，继续形成二级、三级次生裂缝，依次类推，将在该区域形成错综复杂的裂缝网络[6]。对于页岩油井，“压裂改造—焖井—生产”是主要的生产步骤[7]，其中压裂液的使用量将超过2×104m3[8]，而仅有不到50%的压裂液被返排出，且返排周期偏长，甚至在大多数情况下返排率≤30%[9]。焖井对提高页岩油采收率至关重要，焖井时间一般为压裂后14～60 d，在此期间微地震事件仍然能被检测到[10–11]。综上可知，非常规油气在生产过程中，大量的压裂液会侵入断层、裂缝等空隙中，或被永久地封存在页岩基质中，势必会与页岩中的黏土矿物产生物理化学作用，导致岩体理化性质变化或力学特性劣化[12]。页岩吸水劣化致其强度减弱，导致井壁稳定性降低并使钻探风险升高，或由于断层被激活，间接作用在套管上，造成套管剪切变形等问题[13]。例如四川威远−长宁区块示范区2018年套损井中，剪切型套损占61.7%，加拿大萨蒙内特地区某平台剪切型套变率为47.3%[14–16]，其中页岩水化是原因之一[17]。水化对页岩的损伤主要来自2方面，一是结构面裂隙的扩张与继续发育，二是黏土矿物软化，这两者均会导致页岩力学性质弱化，造成断层滑移风险升高[18–21]，与之相对应的储层中结构面滑移的本质是剪切破坏。国内外学者对各类储层岩石水化作用开展了大量的研究，并从宏细观等角度进行了分析。薛华庆等人[22]采用FESEM与微米CT对水化前后的页岩进行了对比分析，发现页岩中的有机物几乎不受水化作用的影响，水化作用对页岩的损伤作用主要来自于无机矿物的变化；Liu Jingping等人[23]以四川高伊利石岩心样品为对象，研究了水化对页岩抗压强度与裂缝细观形貌影响的规律，并通过“氢键力”这一微观角度揭示了诱发水化的主要原因。Ma Tianshou等人[24–25]对不同水化时间的页岩标准试样进行了CT扫描，发现岩石内部的水化速度先快后慢并逐渐趋于稳定，水化损伤表现为由细观向宏观演化，并基于这一现象建立了损伤本构模型，模型预测结果与物理试验结果基本一致。刘向君等人[26–27]通过研究发现，影响页岩水化的2个重要因素是黏土矿物与微裂隙，且水化效应的强弱与两者均呈正相关。石秉忠等人[28–31]研究发现，黏土矿物对表面的水化起主要作用，微裂隙具有毛细效应，会促进内部水化作用，利用CT扫描技术细致分析了毛细管效应促进水化作用的机理，同时指出特定离子的水溶液能抑制延迟水化作用。熊健等人[32]通过试验分析了水化对页岩物理性质的影响，结果显示随水化时间增长，页岩的孔隙度和渗透率由快速上升变为缓慢上升，强度与断裂韧性均降低。Wang Yuepeng 等人[33]进行了四川长宁区域页岩的水化试验，发现水化程度与黏土矿物含量成正相关，损伤时间与黏土矿物含量成负相关，抗剪强度与其他力学参数随水化时间增长均降低。Zhou Tong等人[34]通过压痕试验测试了自发渗吸页岩裂缝表面的硬度，结果表明，表面硬度的下降在1～24 h完成，影响区域为表面向内几毫米处。
综上可知，前人的研究多集中在研究水化本质与裂缝的发育、扩展，揭示液体中离子类型与浓度对水化的影响，力学劣化方面的研究相对较少。笔者为明确水化时间对页岩断层结构面剪切滑移特征的影响，首先制作了10°与40°起伏角度页岩试样，以近似模拟2种粗糙度不同的断层结构面；为了更加符合实际工况，采用现场压裂液对结构面进行水化。当水化达到预期时间后，合拢、组装好，在四级法向应力下进行直剪试验，并对结构面破坏特征进行形貌扫描与微观分析，明确了水化过程对不同结构面剪切特性的影响规律，对评价储层周围套管变形及预防套变具有重要意义。
1. 页岩水化剪切试验
1.1 试样制备
1.1.1 页岩基本参数
试验所用页岩岩样采自川南石柱县龙马溪组页岩地层，该页岩地层层理较为发育，平均密度2.59 g/cm³，平均孔隙度3.6%。页岩岩样的基本力学参数：弹性模量14.06 GPa，泊松比0.367，单轴抗压强度118.4 MPa，抗拉强度9.67 MPa。页岩岩样矿物成分以石英等脆性矿物为主（＞68%），黏土矿物含量较少，仅为6.39%[35–36]。
1.1.2 结构面的制备
1）将原始岩块切割成50 mm×50 mm×30 mm的长方体岩样，层理方向如图1所示；2）采用高精度岩石雕刻机在岩样表面预制结构面（起伏角度分别为10°和40°，共10个齿形）；3）为了消除岩样初始含水量对后续试验结果的影响，采用电热鼓风干燥机在105 ℃温度下对试样烘6 h。
1.1.3 结构面水化方案
结构面水化用液体为川渝区块龙马溪组页岩储层改造常用压裂液，水化时间设定为0，1，2，12，24，120，360和720 h。为了保证除结构表面外，岩体其他部分保持干燥，将岩样的结构面朝下放在盆里，倒入刚好没过结构面的压裂液。
1.2 试验方案与设备
试验在中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT-150C岩石力学试验系统上进行。剪切时结构面的受力情况如图2所示。剪切试验的操作步骤为：以1 kN/s的加载速率将法向力N加载至目标值并保持恒定，水平方向以0.01 mm/s的速率对试样组进行加载，待出现峰值强度后终止试验，该过程中剪切力Q会随着剪切位移而发生变化。试验过程中的剪切位移、法向位移、剪切力等会被自动记录。
2. 水化剪切试验结果分析
所用的岩样为2种不同起伏角度锯齿形结构面的页岩岩样，由于相同起伏角度岩样具有相同的分形维数，根据二维锯齿形的理论分形模型[37]，规则齿形结构面粗糙度系数与锯齿起伏角度的关系为：
cjr=85.2671[lg2−lg(1+cosα)lg2+lg(1+cosα)]0.5679 (1) 式中：α为锯齿起伏角度，（°）；cjr为规则齿形结构面粗糙度系数。
利用式（1）计算出当α分别为10°与40°时的cjr分别为4.42为22.86。剪试验设定在2.5，5.0，7.5和10.0 MPa四级法向应力下进行，结果见表1。
表 1 不同结构面在不同条件下的剪切试验结果Table 1. Shear test results of shale samples under different conditions水化时间/h 法向应力/MPa 峰值强度/MPa C/MPa ϕ/（°） R2 峰值强度/MPa C/MPa ϕ/（°） R2 10° 40° 0 2.5 3.90 2.29 33.02 0.931 11.32 9.44 42.60 0.975 5.0 6.20 14.45 7.5 7.03 16.74 10.0 8.29 18.22 1 2.5 3.93 2.36 31.75 0.995 10.98 8.53 41.34 0.973 5.0 5.31 12.33 7.5 7.19 15.61 10.0 8.46 17.22 2 2.5 4.09 2.38 32.66 0.995 10.46 8.30 37.87 0.990 5.0 5.50 11.98 7.5 7.03 13.90 10.0 8.92 16.30 12 2.5 4.05 2.19 31.95 0.973 9.96 7.93 36.07 0.949 5.0 4.96 10.93 7.5 6.63 14.02 10.0 8.69 15.00 24 2.5 3.64 2.37 32.93 0.930 9.56 7.71 35.13 0.988 5.0 6.40 11.26 7.5 6.72 12.62 10.0 8.93 14.97 120 2.5 3.89 2.36 32.47 0.991 10.51 8.06 35.24 0.837 5.0 5.92 11.19 7.5 6.85 12.14 10.0 8.66 16.08 360 2.5 3.76 2.23 32.86 0.982 9.60 7.96 35.82 0.904 5.0 5.10 11.30 7.5 7.53 12.37 10.0 8.55 15.58 720 2.5 3.90 2.37 33.44 0.996 9.94 7.84 35.97 0.919 5.0 5.81 11.53 7.5 7.41 12.30 10.0 8.87 15.73 2.1 剪切位移特征
图3为10°起伏角度结构面水化0，2，12，120和360 h时，在不同法向应力下的剪切位移−剪应力曲线。由图3可以看出：不同法向应力条件下剪切位移−剪应力曲线的形式基本一致，剪应力随着剪切位移呈现增大趋势，达到峰值强度后减小；干燥情况下，弹性阶段剪切位移近似呈线性增长，而经过水化后，剪切位移−剪应力曲线则呈现阶梯式升高的特点（见图3（a）、（c）），这是由于结构面各点矿物分布存在差异性，以致对水的敏感性不同，导致各点的水致弱化不同，结构面突出物被不均匀破坏导致的。
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图 3 10°起伏角度结构面不同法向应力下的剪切位移−剪应力曲线Figure 3. Shear displacement-shear stress curve of structural plane with 10° undulating angle图4为40°起伏角度结构面水化0，2，12，120和360 h时，在不同法向应力下的剪切位移−剪应力曲线。由图4可以看出：结构面干燥情况下的峰值剪应力均明显高于水化情况，而水化峰值剪应力之间的差距则相对较小，表明结构面水化能在一定程度上降低抗剪强度，且水致弱化迅速，随着水化时间增长，抗剪强度的变化幅度较小；干燥情况下在达到弹性极限后即发生破坏，峰值强度前并未表现出明显的塑性特性，表现为脆性（见图4（c））；水化情况下则会经历一段塑性变形，达到峰值强度后再破坏，表现为塑脆性。
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图 4 40°起伏角度结构面不同法向应力下的剪切位移-剪应力曲线Figure 4. Shear displacement-shear stress curve of structural plane with 40° undulating angle综合图3与图4可以看出，由于结构面粗糙度不同，在达到峰值强度后，10°起伏角度结构面剪应力降低的速度较为缓慢，表现为摩擦破坏，而40°起伏角度结构面在剪应力达到峰值后，剪应力急剧降低，具有脆断性。
对比图3与图4可知，干燥情况下剪应力能在更短的剪切位移内达到峰值，表明干燥情况下剪应力的增长率要高于水化情况下。由于页岩岩样矿物的不均匀分布，结构面在经过水化后，大部分结构面的剪切位移−剪应力曲线在弹性阶段呈阶梯式上升特点。为了方便进行定量分析，对所有曲线统一选取0.2倍最大剪切应力至0.7倍最大剪切应力段进行剪切刚度计算，剪切刚度的计算公式为：
Kt=0.5τmax (2) 式中：Kt为剪切刚度，MPa/mm，τmax为结构面的最大剪应力，MPa，δ0.2τmax和δ0.7τmax分别为0.2倍最大剪应力和0.7倍最大剪应力所对应的剪切位移，mm。
利用式（2）计算2种结构面不同水化时间下的剪切刚度，并绘制成剪切刚度−水化时间曲线，如图5所示。由图5可以看出，干燥情况下的剪切刚度要高于水化情况，表明水化会在一定程度上使剪切刚度降低，图5中个别点的剪切刚度过高（图5（a）点1和图5（b）点1），或有些水化情况下（图5（b）点2）的剪切刚度与干燥情况的差距较小，这是由于结构面中脆性矿物的含量相对较多，对水化不敏感所导致的。
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图 5 10°与40°起伏角度结构面剪切刚度−水化时间曲线Figure 5. Shear stiffness-hydration time curves of structural planes with 10° and 40° undulating angles综合上述分析可知，水化对 40°起伏角度结构面抗剪强度与剪切刚度的弱化较为明显，对 10°起伏角度结构面的剪切刚度也具有一定的弱化作用，而抗剪强度则并未呈现明显的弱化规律，后文将借助扫描电镜与形貌扫描结果进一步分析。
2.2 结构面破坏特征
根据上文可知，试验所得的剪应力−剪切位移曲线具有差异的根本原因是法向应力、起伏角度与结构面水化这三者共同的结果，进而导致结构面的破坏形式产生差异。本节选取试验后典型剪切结构面形貌分析破坏形式。
为了避免边角残缺影响结果的准确性，选取水化0，2，24和120 h，剪切破坏后的2种结构面，共32组，对其上半部中部区域进行扫描。
图6为10°起伏角度结构面各级法向应力下中部区域高程云图。由图6可以看出：大部分结构面上的齿痕并没有消失，这是由于在起伏角度较小的情况下，结构面较为平缓，在表面相互啮合进行剪切试验时，锯齿不会被剪切破坏，而是在法向应力与剪应力的共同作用下，克服结构面之间的摩擦力，表现为摩擦滑移破坏；对于同一水化时间，随着法向应力增大，高程云图中锯齿部分的颜色越来越浅，表示结构面的磨损越严重；在法向应力较低时（σn=2.5 MPa），随着水化时间增长，结构面磨损的差异并不明显，在法向应力较高时（σn≥5.0 MPa），结构面随着水化时间增长，磨损得越严重；对于水化时间较长的试样（t≥24 h），结构面之间的差异将缩小。
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图 6 10°起伏角度结构面中部区域高程云图Figure 6. The high-level cloud map of the middle area of the 10 ° undulating angle sample图7为40°起伏角度结构面各级法向应力下中部区域高程云图。由图7可以看出：结构面整体以锯齿破坏为主；水化时间相同条件下，随着法向应力增大，锯齿被破坏得越明显；对同一法向应力下不同水化时间的岩样，在法向应力较低时（σn=2.5 MPa），随着水化时间增长，结构面锯齿破坏的差异较小，表面残余齿痕均清晰可见；当法向应力逐渐增大（σn≥5.0 MPa），结构面锯齿破坏占比将增大。与低起伏角度结构面类似，当水化时间较长时，结构面的整体破坏程度较为接近。
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图 7 40°起伏角度结构面中部区域高程云图Figure 7. The high-level cloud map of the middle area of the 40° undulating angle sample综合分析 2 种结构面的破坏特征，相同水化时间下，法向应力越大，结构面的破坏特征越明显；水化对结构面的破坏起促进作用，随着法向应力增大，促进作用越明显，当水化时间较长时，则会使促进作用达到上限。
2.3 结构面抗剪强度特征
图8为10°起伏角度结构面在不同法向应力下，峰值剪应力随水化时间变化的曲线。由图8可以看出，随水化时间增长峰值剪应力变化较小；2.5，5.0，7.5和10.0 MPa法向应力下水化情况峰值剪应力的平均值为3.64，5.57，7.02和8.73 MPa，与干燥情况对应法向应力下峰值剪应力（3.90，6.20，7.03和8.29MPa）的差距较小，故水化作用对低起伏角度结构面抗剪强度的影响较小。
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图 8 10°起伏角度结构面峰值剪应力−水化时间曲线Figure 8. Strength change curve of structural plane with 10° undulating angle图9为40°起伏角度结构面在不同法向应力下，峰值剪应力随水化时间变化的曲线。由图9可以看出：各级法向应力下的峰值剪应力在水化初期（水化1 h和2 h）急剧降低，相对于干燥情况，各级法向应力下，水化1 h时分别降低了3.00%、14.67%、6.75%和5.49%，水化2 h时分别降低了7.60%、17.09%、16.97%、10.54%；随着水化时间增长，峰值剪应力继续降低，在水化12 h后，基本趋于稳定，此时各级法向应力下的平均峰值剪应力分别为9.91，11.24，12.89和15.47MPa，整体下降幅度为12.46%、22.21%、23.00%和15.09%。可以看出，水化对较高起伏角度结构面的影响较大，抗剪强度弱化在水化初期极为迅速，后期逐渐放缓并趋于稳定。
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图 9 40°起伏角度结构面峰值剪应力−水化时间曲线Figure 9. Strength change curve of structural plane with 40° undulating angle2.4 粘聚力与内摩擦角的变化
由表1可以看出：对于不同起伏角度的结构面，在经过不同水化时间后，所表现出的粘聚力有明显的规律特征；40°起伏角度结构面在水化初期，随水化时间增长，粘聚力快速降低，水化1 h和2 h时的粘聚力分别为8.53 MPa和8.30 MPa，随着水化时间继续延长，粘聚力基本稳定在7.90 MPa左右，整体降幅16.31%；10度起伏角度结构面粘聚力受水化的影响较小，基本稳定在2.32 MPa左右。拟合不同起伏角度结构面粘聚力与水化时间的关系，得到：
{C_{10^\circ }} = 2.32 (3) {C_{40^\circ }} = 1.59 {\text{e}^{ - \tfrac{t}{{1.416}}}} + 7.83 (4) 式中：C为粘聚力，MPa；t为水化时间，h。
由表1还可以看出：在经过不同水化时间后，10°与40°起伏角度结构面内摩擦角的表现形式存在差异性；10°起伏角度结构面的内摩擦角对水化并不敏感，整体处于32.47°左右；40°起伏角度结构面的内摩擦角，随水化时间增长，先急剧降低后趋于稳定，干燥情况下的内摩擦角为42.60°，水化1 h和2 h时分别为41.34°和37.87°，总降幅为11.10%；随着水化时间增长，内摩擦角的下降速度逐渐变缓，水化24 h后逐渐趋于稳定，整体降低幅度为16.57%。拟合不同起伏角度结构面内摩擦角与水化时间的关系，得到：
{\varphi_{10^\circ }} = 32.47 (5) {\varphi _{40^\circ }} = 42.60 - 7.30 {\text{e}^{ - \tfrac{t}{{4.56}}}} (6) 式中，φ为内摩擦角，（°）。
由水化剪切试验结果可知，随着水化时间增长，不同类型结构面表现出不同的抗剪特性。对于较高起伏角度的结构面，其抗剪强度更高，断层稳定性更优异，故在水平井施工过程中，应尽量避免井筒穿越较小起伏角度的结构面，同时起伏角度较大结构面的水致弱化较为迅速，进行压裂施工时应尽量缩短施工时间，对于起伏角度较小的天然裂缝带或断层面，压裂液侵入对结构面的水化作用影响较小，地应力扰动与孔隙压力升高则对其的影响较大，故而在压裂施工过程中，对穿过井筒断层面之前的压裂段，在一定程度上可以降低施工强度，以降低断层滑移风险。
3. 页岩水化细观损伤
页岩水化损伤主要会导致原生裂缝延伸演化、产生新裂缝、小孔隙向大孔隙转化或坍缩[18–19]。为了探究水化对不同类型结构面的影响，利用扫描电子显微镜对部分试样破坏面进行扫描，以分析水化时间对不同类型结构面造成破坏的差异。选取对象试验参数为水化0，2，120和360 h与法向应力10 MPa，统一对上半部分中部区域进行扫描观察，放大倍数为2 000。
图10为10°结构面不同水化时间剪切试验后的扫描电子显微镜照片。由图10可以看出：干燥情况下，微观结构排列密实，不同粒径晶体颗粒随机分布，大粒径颗粒棱角分明，断口较为平整，可见较少的微孔洞穿插其中；水化2 h时，大粒径颗粒微观断口面积减小，表面平整度降低，部分区域晶体表面粗糙度增加，微孔洞增多；水化120 h时，表面可见小粒径颗粒进一步增多，大粒径颗粒断口不规则，微孔洞有增大增多的趋势；水化360 h时，大粒径颗粒边界模糊，小粒径颗粒随机分布于其中，孔洞变大并相互沟通。
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图 10 不同水化时间下10°结构面的微观特征Figure 10. Microscopic characteristics of 10° structural plane图11为40°结构面不同水化时间剪切试验后的扫描电子显微镜照片。由图11可以看出：干燥情况下，四处分散被剪断的较大粒径的颗粒，断面平整光滑，呈现阶梯状，表面穿插部分小粒径颗粒，整体排列较为紧密；水化2 h时，大粒径颗粒断面的粗糙度增加，伴随产生了一系列小尺寸拉裂缝，破坏面整体平整度降低；水化120 h时，表面形成大小不一的坑洞，大块颗粒断面不规则，粗糙度继续增加，张拉裂纹尺寸变大；水化360 h时，表面小粒径颗粒增多，大粒径颗粒断面变少，形成了大尺寸张拉裂缝。
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图 11 不同水化时间下40°结构面的微观特征Figure 11. Microscopic characteristics of 40° structural plane10° 结构面锯齿高度较低 （0.44 mm），微观结构显示破坏断面整体较为模糊，随着水化时间增长， 引起微孔洞不均匀发育并相互沟通，剪切过程中压缩量增大，故大多水化情况下剪应力呈现不规则“阶梯式上升”的特点。由于试验用页岩岩样的黏土矿物含量较低（6.39%），摩擦滑移破坏结构表面磨损较小（如图12（a）所示），水致弱化能力有限，故低起伏角度结构面的抗剪强度仅在一定范围内波动。
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图 12 部分结构面破坏实物图与高程云图Figure 12. Part of the structural surface damage physical map and high-rise cloud map由于40°结构面锯齿高度较高（2.1mm），水化导致表面破坏程度较大（见图12（b）），锯齿部分所含黏土矿物相对低起伏角度更多，水化作用导致黏土矿物软化，结构面脆性降低，剪切位移−剪应力曲线出现塑性阶段，抗剪强度降低。
4. 结 论
1）结构面水化作用会造成剪应力−剪切位移曲线轻微波动，造成剪应力呈阶梯式上升与剪切刚度降低的特点，对于高起伏角度结构面还会出现一定的塑性特性。
2）水化对结构面的破坏起促进作用，随着法向应力增大，促进作用越明显，当水化时间较长时，促进作用会达到上限。
3）水化作用对低起伏角度结构面强度的影响并不明显，抗剪强度始终趋于稳定；高起伏角度结构面水化初期（1 h与2 h内）抗剪强度急剧降低，相对干燥结构面，水化1 h时平均降低了7.48%，水化2 h时平均降低了13.05%，水化中后期趋于稳定，相对干燥结构面平均降低了18.19%。
4）水化作用对不同类型结构面抗剪强度参数的影响程度不同，低起伏角度结构面内摩擦角与粘聚力的变化极小；高起伏角度则表现为急剧下降并趋于稳定，水化1 h时，内摩擦角与粘聚力的降低幅度较小，水化2 h时分别降低了12.08%和11.10%，后期整体分别降低了16.31%和16.32%。
5）水化对不同类型结构面微观的影响不同，低起伏角度破坏面较为粗糙，随着水化时间增长，表面会逐渐形成微孔洞并相互沟通，导致矿物分层；高起伏角度破坏面较为平整光滑，随着水化时间增长，粗糙度逐渐增加并形成张拉缝。
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图 3 10°起伏角度结构面不同法向应力下的剪切位移−剪应力曲线
Figure 3. Shear displacement-shear stress curve of structural plane with 10° undulating angle
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图 4 40°起伏角度结构面不同法向应力下的剪切位移-剪应力曲线
Figure 4. Shear displacement-shear stress curve of structural plane with 40° undulating angle
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图 5 10°与40°起伏角度结构面剪切刚度−水化时间曲线
Figure 5. Shear stiffness-hydration time curves of structural planes with 10° and 40° undulating angles
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图 6 10°起伏角度结构面中部区域高程云图
Figure 6. The high-level cloud map of the middle area of the 10 ° undulating angle sample
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图 7 40°起伏角度结构面中部区域高程云图
Figure 7. The high-level cloud map of the middle area of the 40° undulating angle sample
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图 8 10°起伏角度结构面峰值剪应力−水化时间曲线
Figure 8. Strength change curve of structural plane with 10° undulating angle
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图 9 40°起伏角度结构面峰值剪应力−水化时间曲线
Figure 9. Strength change curve of structural plane with 40° undulating angle
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图 10 不同水化时间下10°结构面的微观特征
Figure 10. Microscopic characteristics of 10° structural plane
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图 11 不同水化时间下40°结构面的微观特征
Figure 11. Microscopic characteristics of 40° structural plane
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图 12 部分结构面破坏实物图与高程云图
Figure 12. Part of the structural surface damage physical map and high-rise cloud map
表 1 不同结构面在不同条件下的剪切试验结果
Table 1 Shear test results of shale samples under different conditions
水化时间/h 法向应力/MPa 峰值强度/MPa C/MPa ϕ/（°） R2 峰值强度/MPa C/MPa ϕ/（°） R2 10° 40° 0 2.5 3.90 2.29 33.02 0.931 11.32 9.44 42.60 0.975 5.0 6.20 14.45 7.5 7.03 16.74 10.0 8.29 18.22 1 2.5 3.93 2.36 31.75 0.995 10.98 8.53 41.34 0.973 5.0 5.31 12.33 7.5 7.19 15.61 10.0 8.46 17.22 2 2.5 4.09 2.38 32.66 0.995 10.46 8.30 37.87 0.990 5.0 5.50 11.98 7.5 7.03 13.90 10.0 8.92 16.30 12 2.5 4.05 2.19 31.95 0.973 9.96 7.93 36.07 0.949 5.0 4.96 10.93 7.5 6.63 14.02 10.0 8.69 15.00 24 2.5 3.64 2.37 32.93 0.930 9.56 7.71 35.13 0.988 5.0 6.40 11.26 7.5 6.72 12.62 10.0 8.93 14.97 120 2.5 3.89 2.36 32.47 0.991 10.51 8.06 35.24 0.837 5.0 5.92 11.19 7.5 6.85 12.14 10.0 8.66 16.08 360 2.5 3.76 2.23 32.86 0.982 9.60 7.96 35.82 0.904 5.0 5.10 11.30 7.5 7.53 12.37 10.0 8.55 15.58 720 2.5 3.90 2.37 33.44 0.996 9.94 7.84 35.97 0.919 5.0 5.81 11.53 7.5 7.41 12.30 10.0 8.87 15.73 
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