熱-力耦合作用下油頁巖斷裂特性實驗研究.pdf

1、自改革開放以來，我國的國民經(jīng)濟就踏上高速增長的快車道，堅實的能源保障無疑是經(jīng)濟快速持續(xù)穩(wěn)定增長的基礎(chǔ)。然而，以煤炭為主要能源的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不易改變，巨大的能源進口就成了能源消耗增長量的主要補充渠道。但是，縱觀全球，尤其是產(chǎn)油區(qū)與石油進口的運輸通道附近區(qū)域并不太平，所以，尋找一種在我國儲量可觀，前景較好的化石能源就成了保證我國能源安全的必由之路。我國的油頁巖儲量大，分布廣，完全可以在借鑒美國等發(fā)達國家對頁巖氣等類似能源的先進開發(fā)技術(shù)，來

2、發(fā)展我國的油頁巖原位開采方法，以提高能源自給與安全程度。
　　油頁巖的原位改性開采技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有所發(fā)展并取得了一些成果，技術(shù)主要包括儲層改造與油氣抽采兩大環(huán)節(jié)。本文主要關(guān)注儲層改造環(huán)節(jié)的相關(guān)問題。油頁巖屬于典型的沉積巖種，層理分明并且預(yù)存有大量的天然孔裂隙，宏觀上具有明顯的橫觀各向同性，其力學(xué)性能受水與溫度的影響較為明顯。因此，深入地研究溫度與層理對油頁巖斷裂特性的影響無疑將會對油頁巖的原位改性開采具有重要的指導(dǎo)意義。
　

3、　本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，考慮到影響油頁巖力學(xué)特性的因素與分段壓裂-多水平注熱開采油頁巖的技術(shù)要求，主要進行了以下研究：
　　（1）油頁巖的三點彎曲（SCB）試驗。選取三種不同層理方向的試件，在20℃-500℃之間熱解后進行斷裂韌度測試，得出了各試件的載荷-位移曲線斜率的變化規(guī)律，并綜合研究了水、有機質(zhì)和礦物成分在不同溫度作用下對斷裂韌度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：熱損傷與熱破裂是油頁巖宏觀斷裂韌度發(fā)生急劇下降的根本原因。

4、>　?。?）撫順油頁巖的斷裂韌度存在明顯的各向異性。由SCB實驗得出，crack-arrester型與crack-divider型試件斷裂韌度的最大值相近，crack-splitter型試件只有其最大值的1％-2%左右。crack-arrester型與crack-divider型試件存在不同的“門檻溫度”Tc，這與巖體的層理方向及熱加工后的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，并得出crack-arrester型與crack-divider型試

5、件斷裂韌度變化趨勢及大小關(guān)系的規(guī)律。
　?。?）油頁巖巖體的破壞特征研究。對油頁巖塊體在熱-力耦合作用下的熱破裂與損傷的原因進行了分析，并對SCB實驗過程中層理與溫度對試件的斷裂方式與斷裂形態(tài)的影響進行了研究，得出了溫度與層理對斷裂特征的影響規(guī)律。
　?。?）水力壓裂數(shù)值模擬實驗。裂縫開始失穩(wěn)擴展時需要較大的水力壓力，并且伴有較多的壓裂液的濾失，其壓力峰值與濾失率峰值均達到了裂縫穩(wěn)定擴展時期值2倍左右；斷裂韌度作為判定裂縫擴

6、展方向的依據(jù)有效且易用；模擬水力裂縫擴展的過程與結(jié)果和工程施工數(shù)據(jù)比較吻合。
　　（5）通過對溫度場、應(yīng)力場與位移場的研究，得出分段壓裂后多層注熱熱解油頁巖的專利方法對于原位開采油頁巖在加熱效率與熱解效果上具有明顯優(yōu)勢；在生產(chǎn)過程中目標層兩翼存在利于跨層理裂縫產(chǎn)生的有利力學(xué)條件；間歇注熱生產(chǎn)再次開泵所需的壓力較大，井筒強度極易受到熱應(yīng)力的威脅，應(yīng)加強安全維護。
　　以上研究對油頁巖原位改性開采油氣的儲層改造階段與后期蒸汽熱解