页岩弹脆性损伤本构模型研究

摘要

页岩气是当前勘探开发的重点，而页岩储层是典型的致密储层，大多需要经过压裂改造才能有效开发，所以研究以本构关系为代表的页岩力学性质，从而为其损伤演化提供理论依据，具有十分重要的意义。本文以鄂尔多斯盆地南部长7储层页岩为研究对象，运用X射线衍射试验和氩离子抛光—电镜扫描试验，综合分析了页岩的矿物组分和孔隙裂缝结构，结合文献调研和 Comsol有限元软件研究了页岩在外载荷下的破坏机理；运用单轴和SHPB冲击试验，研究了页岩试件在静载和动载下的力学响应特性，并结合试验数据计算出页岩发生损伤时的阈值应力；基于朱—王—唐粘弹性本构，结合损伤微元服从 Weibull分布的损伤变量，对方程进行修正，并最终得到了能够描述页岩在动载下力学性质的本构方程。研究结果表明：页岩中的微裂缝和微孔隙在加载时出现应力集中现象，是页岩中最容易受到破坏的结构；页岩中的脆性矿物在加载时比延性矿物更容易受到破坏；使用黄铜片整形器以及确定适当的试件尺寸，使冲击试验达到了恒应变率加载；通过对试验中页岩试件的动态性能分析，发现峰值应力和应变率呈线性关系，页岩的动态强度随着冲击速度的增大而提高，说明页岩是应变率敏感材料；通过与页岩静态抗压强度作对比，得出本次冲击试验中页岩的强度增强系数在2.456到2.975之间；运用损伤冻结试验测量页岩的损伤值，通过对页岩损伤和峰值应力的关系进行拟合，建立了损伤与峰值应力之间的定量表达式，并得出发生损伤的阈值应力为28.65MPa，对应的阈值应变率为32.19s-1；根据页岩受力响应性质和SHPB应变率范围，对朱—王—唐方程进行修正，结合所测损伤阈值建立分段页岩本构方程，并与一维弹脆性模型进行对比，结果表明修正后的朱—王—唐模型更能反映页岩损伤时的应力应变关系，能够准确描述页岩的峰前动态力学性能。

目录

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第一章 绪论

1.1 选题背景、研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

第二章 页岩组分特征和损伤机理分析

2.1 区域地质概况

2.2 页岩的矿物组分分析

2.3 页岩有机质分析

2.4 页岩孔隙和裂缝分析

2.5 页岩各组分性质和损伤机理分析

2.6 小结

第三章 页岩动态力学性质和损伤演化试验研究

3.1 页岩单轴压缩试验

3.2 SHPB试验系统工作原理以及相关问题分析

3.3 恒应变率冲击试验

3.4 页岩损伤试验研究

3.5 小结

第四章 页岩动态本构模型研究

4.1 力学元件理论

4.2 页岩损伤本构模型建立

4.3 本构参数的确定

4.4 小结

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文和参与的项目