页岩非均质微细观破断机理和各向异性微平面损伤模型

The mechanical behaviors of shale under complicated exploitation conditions have significant impacts on stimulated reservoir volume of shale. The multi-scale heterogeneities of shale, which have not yet been described systemically and statistically, result in complicated anisotropy. Currently, the researches on the shale’s anisotropic deformation and failure mechanism are usually based on macro anisotropic damage model and classical fracture mechanics. Those studies focus on the pre-peak deformation and peak load of macro mechanical test but pay little attention to the anisotropic failure model that can reveal the micro/meso structure characteristics of shale. This project aims to systemically investigate the shale micro/meso heterogeneity and explain heterogenous failure mechanism at micro/meso scales. The homogenization approach and energy theory are adopted to study the complete process of shale deformation and failure, especially the post-peak anisotropic damage induced by tensile and shear stresses. A new microplane model considering of micro/meso heterogeneous anisotropic damage with definite physical properties will be developed, which would guide shale reservoir hydraulic fracturing.

储层页岩的力学特性及在开发环境下的响应，是影响页岩储层改造的关键因素。页岩在不同尺度上的非均质性使得页岩的力学行为呈现出非常复杂的各向异性，是页岩储层改造最终形成复杂裂缝网络的主要原因。压裂缝网起源于微细观尺度下微裂缝的起裂、扩展与汇聚，但是页岩微细观破断的内在力学机理仍不明确，也缺乏基于页岩微细观破断特性、能描述页岩损伤软化规律的模型。本项目拟主要利用微细观的分析测试手段，对页岩微细观非均质性进行系统分析；探讨页岩微细观非均质破断机理及其统计特征；设计新的微平面各向异性空间积分方案；结合微平面理论固有的跨尺度特性，建立不同微平面上的拉伸/剪切破坏关系；发展一种参数物理意义明确，同时考虑页岩微细观非均质性的微平面各向异性损伤软化模型，为预测页岩储层水力压裂效果及优化工艺参数提供理论依据和参考。

随着近年来页岩气/油工业的发展，特别是水力压裂技术的发展，促进对页岩力学特性的深入理解的研究变得越来越重要。由于受到沉积、成岩以及构造等多项因素的共同作用，页岩在不同尺度上都具有复杂的非均质性，微细观尺度上页岩的非均质性是页岩宏观上呈现各向异性力学行为的材料物质基础，但是其微细观压裂响应的内在力学机理仍不明确。.本项目通过研究微细观结构、矿物组分、排布方式对页岩微细观破断的影响机理，开展了系统的微/宏观试验，在此基础上，探究了微细观尺度的破坏机理、建立了基于材料微/细观特征的跨尺度力学模型。此外，优化创新了新的微观试验，在微观尺度上获得页岩的抗拉强度，探究了页岩各向异性的来源。基于统计方法的描述了页岩各向异性力学特性。基于双k断裂准则，分析了页岩裂缝在不同层流构型下的起裂韧性和不稳定断裂韧性，揭示了层状页岩中闭合对称裂缝的扩展行为和机制，阐明了页岩裂缝的破裂过程和机理，确定了页岩裂缝扩展过程中FPZ的非线性软化行为。设计新的微平面各向异性空间积分方案，建立一种参数物理意义明确，同时考虑页岩宏细观非均质性的微平面各向异性损伤软化模型。通过考虑三轴压缩路径下裂隙抗塑性屈服能力的弱化效应，很好地反映实验试样在峰值前压缩应力-应变曲线显著的非线性变化特征，可反应三种典型的微平面取向裂隙密度的演化趋势。对探索页岩储层岩石在开发环境下的响应，预测压裂效果和产量，进而优化压裂工艺参数，具有重要的理论和工程实际意义。为预测页岩储层水力压裂效果及优化工艺参数提供理论依据和参考。