压力流体作用下页岩微破裂时空演化规律与细观破坏机理

Water-rock interaction has been paid popular attentions in the fields of geological engineering and geotechnical engineering. Water can weaken rock, and have direct influence on rock deformation and failure in the form of loads (i.e., hydrostatic pressure, pore-fissure pressure, pressured fluid injection). Past researches are mostly based on phenomenological models in the macro-scales, few on meso-physical mechanism in the scale of mineral particles, and seldom on temporal and special evolution of micro-fissures. Using shale samples, acoustic emission testing technique and high-resolution deformation measuring system, a study will be conducted on temporal and special evolution of mirco-fractures in shale containing pressure fluids and its meso-failure mechanism. The study is composed by, 1) anisotropic features and velocity structure model of shale samples; 2) Acoustic emission location and moment tensor inversion of micro-fractures of shale samples; 3) Space-time evolution laws and mechanical effects of micro-fractures in shale samples having different water contents; and 4) Space-time evolution laws of micro-fractures and meso-failure mechanism of shale in different conditions of fluid injections. This study will be helpful to clarify weakening features and fluid-induced fractures of shale, and to development of exploration and extraction of hard oil-gas reservoirs with a great scope of practical application.

水岩相互作用历来受到地质工程与岩土工程领域的广泛关注。水不仅可以弱化岩石/体的力学性质，还会以荷载的形式（如静水压力、孔隙压力、压力流体注入等）对岩石变形破坏产生直接影响。以往多为宏观尺度的现象学研究，基于矿物颗粒尺度（微米-毫米）的岩石细观物理机制研究还很不够，以微破裂时空演化为切入点的相关研究则更少。以页岩储层为研究对象，借助于自行研发的声发射观测系统和非接触式变形观测系统，拟开展压力流体作用下页岩微破裂时空演化规律和细观破坏机理的研究，具体内容包括：（1）页岩试件的各向异性特征与速度结构模型；（2）页岩微破裂的声发射定位与矩张量反演；（3）不同含水条件下页岩微破裂的时空演化规律与力学效应；（4）流体注入条件下页岩微破裂的时空演化规律与细观破坏机理。相关研究成果不仅有助于揭示页岩的软化特性和压力流体致裂效应，还将大大推进致密储层勘探开发技术方法的进步，应用前景广阔。

水岩相互作用历来受到地质工程与岩土工程领域的广泛关注，而水压致裂已经成为非常规油气开采、干热岩地热能开采等新兴领域的核心技术方法。对于页岩的水压致裂行为，基于矿物颗粒尺度（微米-毫米）的细观力学机制研究还很不够，以微破裂演化为切入点的相关研究则更少。以页岩储层为研究对象，借助于自行研发的声发射观测系统、超低渗测试系统、流固耦合算法等设备和软件，系统开展了压力流体作用下页岩微破裂演化规律和细观破坏机理的研究，包括岩石矿物的粒径非均质效应、形状效应和排列方向效应、页岩物理力学特征与微破裂演化规律、压力流体运移与流固耦合机理、压力流体致裂效应与细观破坏机制。.在本项目的资助下，取得了以下重要结果和数据：（1）提出了一个新的粒径非均质度指标He，该指标可反映模型或样品范围内矿物颗粒在粒径上的离散程度，对于矿物非均质性效应及岩石微裂纹演化规律分析来说具有更强的适用性；（2）较强的材料非均质性或矿物含量效应将会削弱粒径非均质效应，并有可能对加载过程中岩石内部微裂纹的启动、类型及数量起到决定性作用；（3）矿物颗粒的扁平度和粗糙度对岩石强度有明显影响，颗粒形状对弹性模量的影响机制主要是通过孔隙度来实现，颗粒的定向排列是岩石各向异性力学行为的重要原因；（4）充分考虑到储层基质与裂隙的渗透性差异，开发了基于颗粒流离散元的流-固耦合新算法，成功应用于不同注入条件下均质储层和层状储层的压力流体致裂效应分析和全过程模拟，并阐明了流体运移机理和微破裂演化规律；（5）将颗粒流模型中加入光滑节理模型后，成功模拟出了水力裂隙与天然裂隙相互作用的三种经典模式（直接穿越、偏移穿越以及被天然裂缝捕获），与已有的室内实验和理论模型表现出非常好的一致性。.上述研究成果不仅有助于揭示岩石宏观力学行为和压力流体致裂效应的细观机理，还将大大推进致密储层勘探开发技术方法的进步，有着重要的学术价值和实际意义。.