超低温液氮条件下页岩脆性破裂机理研究

摘要

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，近年来倍受青睐。由于我国页岩气储层埋深大，渗透率及孔隙度较低，要想达到商业开采必须进行大规模压裂改造。然而随着水力压裂在非常规气藏中的应用，大规模压裂施工作业使得水资源紧缺问题和环境污染问题日益突出，且水力压裂效果不理想，液氮无水压裂可成为增加页岩脆性破裂和缓解水资源紧缺的关键技术之一。因此，开展超低温液氮条件下页岩的脆性破裂机理研究，探讨液氮辅助页岩体积压裂的可行性，对我国页岩气开发具有重要指导意义。 本文针对超低温液氮条件下页岩的脆性破裂机理，从页岩的微观结构和宏观物理特性及力学特性入手，进行室内液氮冻结试验，分析了页岩各向异性特征以及液氮冻结作用对不同层理方向页岩物理特性和力学特性的影响规律。并在此基础上，建立了页岩等效介质模型和超低温受荷损伤本构模型，对页岩的损伤程度进行了评价，并对页岩超低温损伤演化过程进行了分析。 研究结果表明：页岩渗透率和声波波速具有明显的各向异性，随着页岩层理与岩心轴线夹角的增大，页岩渗透率和纵波波速均逐渐降低。不同围压下页岩的峰值强度和弹性模量同样具有明显的各向异性，随着页岩层理方向的不断增大，页岩峰值强度和抗拉强度均呈现“凹”型变化趋势，而弹性模量逐渐减小。 液氮冻结作用对页岩渗透率的影响随着层理夹角的增大逐渐减弱，页岩纵波波速逐渐增强，同时导致不同层理方向页岩的峰值强度、抗拉强度和弹性模量均显著下降，其中含水饱和度在液氮冻结过程中起着促进作用。同时，随着冻融循环次数的增加，各层理方向页岩试样的渗透率均明显增大，而纵波波速均明显降低。 通过建立页岩等效介质模型，得出随着液氮冻融循环次数的增加，各层理方向页岩试样的损伤程度均从0逐渐趋向于1，但损伤的增长速率逐渐减小。通过建立页岩超低温受荷损伤本构模型，得出随着轴向应变的增加，页岩超低温受荷损伤演化曲线均呈现递增趋势最后趋于平缓，且液氮冻结作用使得液氮冻结后页岩试样的初始损伤明显增加，同时，随着轴向应变的增加，页岩超低温损伤率先呈现递增趋势，至峰值后逐渐减小。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 页岩各向异性研究

1.2.2 岩石低温微观特性研究

1.2.3 岩石低温损伤特性研究

1.2.4 岩石低温损伤本构模型研究

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 页岩各向异性实验研究

2.1 试样制备及实验方案

2.1.1 试样制备

2.1.2 实验方案

2.2 页岩矿物组分分析

2.3 页岩的物理特性分析

2.3.1 页岩孔隙结构分析

2.3.2 页岩核磁共振分析

2.3.3 页岩渗透率分析

2.3.4 页岩声波波速分析

2.4 页岩力学特性分析

2.4.1 页岩单轴压缩特性分析

2.4.2 页岩三轴压缩特性分析

2.4.3 页岩拉伸破坏特性分析

2.5 本章小结

第三章 超低温液氮条件下页岩的冻结损伤研究

3.1 试样制备及实验方案

3.1.1 试样制备

3.1.2 页岩水化作用分析

3.1.3 实验方案

3.2 液氮冻结试验现象分析

3.3 液氮作用下页岩的物理特性分析

3.3.1 液氮对页岩核磁共振的影响

3.3.2 液氮对页岩渗透率的影响

3.3.3 液氮对页岩声波波速的影响

3.4 液氮作用下页岩的力学特性分析

3.4.1 液氮对页岩抗压特性的影响

3.4.2 液氮对页岩抗拉特性的影响

3.5 液氮冻融循环对页岩的影响分析

3.5.1 冻融循环对页岩渗透率的影响

3.5.2 冻融循环对页岩声波波速的影响

3.6 液氮对页岩的冻结损伤机理

3.6.1 页岩的冷缩机理

3.6.2 孔隙水的冻胀机理

3.7 本章小结

第四章 页岩等效介质模型的建立

4.1 Gassmann方程

4.2 微分等效介质理论

4.3 模型参数的确定

4.3.1 岩石基质的有效模量

4.3.2 孔隙流体的模量

4.4 数值模拟及冻结损伤分析

4.4.1 损伤变量

4.4.2页岩的冻结损伤分析

4.5 本章小结

第五章 页岩超低温受荷损伤本构模型的建立

5.1页岩受荷损伤本构模型

5.1.1 受荷损伤本构方程的建立

5.1.2 模型参数的确定

5.1.3 模型验证

5.2 页岩超低温受荷损伤本构模型

5.2.1 损伤变量的选取

5.2.2 模型验证

5.3 页岩超低温损伤演化分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢