熱力耦合作用下油頁(yè)巖損傷與斷裂力學(xué)行為研究.pdf

1、油頁(yè)巖，作為一種非常規(guī)油氣資源，其固體骨架中含有有機(jī)物干酪根，受熱分解后，能夠得到頁(yè)巖油和混合烴類氣體產(chǎn)物，進(jìn)而為許多行業(yè)提供能源，并有望緩解石油消耗壓力。隨著油頁(yè)巖地面開發(fā)利用方式所暴露出的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問(wèn)題日益嚴(yán)重，油頁(yè)巖的原位地下轉(zhuǎn)化技術(shù)勢(shì)必將成為未來(lái)對(duì)其開發(fā)利用的新方式。
　　油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化過(guò)程分為以壓裂為主的儲(chǔ)層改造和油氣開采兩方面，本文主要針對(duì)第一方面開展工作。油頁(yè)巖屬于層理發(fā)育沉積巖，層理之間多含水分、氣體和其

2、他礦物雜質(zhì)，造成其垂直層理與平行層理方向的力學(xué)、熱學(xué)特性存在較大差異，并且壓裂的過(guò)程是一個(gè)考慮熱力相互耦合的損傷與斷裂力學(xué)問(wèn)題，所以，深入分析油頁(yè)巖在多場(chǎng)耦合條件下的損傷與斷裂力學(xué)行為，可以對(duì)未來(lái)實(shí)際開展油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)提供理論與應(yīng)用參考。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)溫度-應(yīng)力耦合條件下的本構(gòu)關(guān)系研究。將原位壓裂油頁(yè)巖的問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面正交各向異性問(wèn)題，研究在應(yīng)力-溫度耦合條件下該問(wèn)題的本構(gòu)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這一關(guān)

3、系比空間各向同性問(wèn)題復(fù)雜，進(jìn)而，結(jié)合現(xiàn)有通用有限元求解程序，可進(jìn)行油頁(yè)巖斷裂力學(xué)的數(shù)值模擬。
　　(2)油頁(yè)巖熱物理特性試驗(yàn)研究。利用熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，在25℃～300℃范圍內(nèi)，測(cè)試油頁(yè)巖沿平行層理方向及垂直層理方向的導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能隨溫度的變化規(guī)律，并結(jié)合已有油頁(yè)巖高溫?zé)峤饪琢严堆莼?guī)律及失重試驗(yàn)，近似擬合出300℃～600℃范圍內(nèi)油頁(yè)巖熱學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，由于油頁(yè)巖本身結(jié)構(gòu)的各向異性，導(dǎo)致不

4、同方向熱物理性能差異較大，得到的熱物理參數(shù)隨溫度的函數(shù)變化規(guī)律用于斷裂與損傷數(shù)值計(jì)算。
　　(3)油頁(yè)巖熱力損傷數(shù)值分析。利用FLAC3D建立標(biāo)準(zhǔn)試件模型，并利用FORTRAN語(yǔ)言編寫了單元材料特性服從Weibull隨機(jī)分布通用程序，使模型中的單元屬性呈概率化分布，以體現(xiàn)巖石非均質(zhì)特征。對(duì)試件的應(yīng)力、位移分布規(guī)律、溫度以及升溫速率隨時(shí)間變化規(guī)律等進(jìn)行分析，并計(jì)算損傷度。結(jié)果表明，受約束的試件在溫度單獨(dú)作用下便會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且，在

5、溫度-應(yīng)力耦合作用下油頁(yè)巖的損傷呈現(xiàn)各向異性，將得到的損傷信息用于斷裂力學(xué)數(shù)值計(jì)算。
　　(4)斷裂力學(xué)數(shù)值計(jì)算:單一裂縫擴(kuò)展數(shù)值分析。編寫ANSYS程序及(3)中提及的單元特性隨機(jī)分布通用程序建立非均質(zhì)平面正交各向異性的油頁(yè)巖數(shù)值模型，在溫度-應(yīng)力耦合作用下，對(duì)原位壓裂油頁(yè)巖過(guò)程中巖層的起裂、裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究。以張開型裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子KI作為表征參數(shù)，分析了開裂壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并且分析了隨著裂縫擴(kuò)展，含裂縫油頁(yè)巖礦層的斷

6、裂力學(xué)特征，數(shù)值模型裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等分布特性與斷裂力學(xué)解析結(jié)果比較吻合。
　　(5)多條裂縫擴(kuò)展的相互影響分析。引進(jìn)“位移壓縮荷載”概念，定性地淺析了多裂縫分段壓裂時(shí)的裂縫之間干擾特征，定義無(wú)量綱“擾動(dòng)因子，，和“互擾因子”概念，定量地分析了多裂縫的相互影響性質(zhì)以及影響程度，結(jié)果表明:多裂縫之間的相互影響均表現(xiàn)出抑制裂縫擴(kuò)展的作用，并且該影響與裂縫間距緊密相關(guān)，不同位置裂縫之間相互的影響強(qiáng)度并不相同，據(jù)此，從減小裂縫擴(kuò)