多场耦合作用下不同层理页岩的宏细观破坏行为及本构模型研究

The shale gas development in United States has achieved great success. China started the exploration and development of shale gas project in 2010. The related basic research work has been widely concerned by scholars at home and abroad. Now, many scholars focus on the related basic problem research of shale gas exploitation, such as macro and meso failure behavior of shale subjected to multi field coupling effect is a hot spot. Based on the engineering background of Longmaxi shale gas development projects in Fuling district of Chongqing city, this project focuses on macro and meso failure mechanism and constitutive model of Longmaxi shale under multi field coupled effects. Through GCTS experimental system, SEM with loading device and industrial CT system in State Key Laboratory, we will try to obtain multi-scale structure characterization method and evolution law of internal crack of Longmaxi shale from deep and surface outcrop. And macro.and micro failure mechanism of Longmaxi shale with different bedding will be investigated in detail. We also hope to establish multiscale failure model of shale under multi field coupling effects. Finally, numerical models including multiscale model will be applied to simulate the hydraulic fracturing of shale gas exploration engineering. The project can provide guidance for China's shale gas development and safety evaluation.

美国页岩气开发获得巨大成功，我国于2010年启动页岩气勘探开发项目，相关基础研究工作逐渐得到了国内外学者的广泛关注，其中多场耦合作用下页岩的宏细观破坏行为研究是个热点。以我国重庆市涪陵区龙马溪组页岩气开发工程为背景，本项目着重研究多场耦合作用下龙马溪页岩的宏细观破坏机理及发展本构模型。通过国家重点实验室GCTS实验系统、带加载装置SEM 实验系统和工业CT等综合实验方法，获得深部及地表露头龙马溪页岩的跨尺度结构表征方法及内部裂纹演化规律，揭示多场耦合作用下深部及地表露头龙马溪不同层理页岩的宏细观破裂机理，建立多场耦合作用下龙马溪页岩的多尺度断裂模型，并把模型开发到数值软件中去，将来用于模拟页岩气开发工程的水力压裂问题，可为我国页岩气开发及安全性评价提供指导和帮助。

随着我国经济的飞速发展，对资源和能源的需求量与日俱增，石油天然气等能源的对外依存度逐步升高，这很大程度上制约了我国经济与科技进步，迫切需要勘探和开发致密气、煤层气、页岩气等非常规能源。我国页岩气资源储量位于世界第一，开发潜力巨大。本项目以四川盆地龙马溪组页岩气勘探区为背景，重点研究深部页岩的宏细观断裂行为。申请人在本项目资助下对荷载作用下龙马溪页岩的宏细观变形破坏行为进行了大量的实验，数值方法与理论模型研究，相关成果如下：.(1)采用RTR-1000快速岩石三轴测试系统对页岩试件进行了力学和声学实验，研究了围压条件下不同深度页岩力学和声学特性。研究结果表明，峰值偏应力，峰值轴向应变，峰值体积应变，残余应力和轴向波速与围压和埋深直接成正比，而弹性模量受围压和埋深的影响较小。在1535m - 1635 m的埋藏深度范围内，泊松比随深度变化而变化不明显。.(2)采用带加载装置的扫描电子显微镜对含有不同倾角预制裂纹的页岩试件开展了三点弯曲试验，分析和讨论了页岩的峰值载荷，破坏机理和断裂韧性与预制倾角的关系。研究结果表明，峰值载荷与预制切口的角度β成正比，I型裂纹通常在相对较大的切口边缘曲率半径处萌生，而在主应力严重集中的位置容易产生I/II复合型裂纹，分支裂纹发生在主裂纹附近，沿着或穿过矿物颗粒传播。.(3)采用颗粒流pfc软件开展了不同层理特性页岩数值模拟及分形研究，揭示了不同层理特性对页岩断裂行为的影响。研究结果表明，断裂模式可归纳为三种:沿岩基质的拉伸破坏、沿层理面的剪切破坏和混合破坏模式，层理强度对拉伸声发射事件的影响不显著，但对剪切声发射事件的影响显著。当倾斜角度为30°~ 45°时，分形维数较高;随着层理强度的降低，分形维数逐渐增加，表明裂隙网络更加复杂。.(4)开展了不同缝高比下页岩的亚临界断裂行为研究，理论上计算了亚临界裂纹长度、初始裂纹和不稳定断裂韧度。结果表明:随着CDR的增加，裂纹初始载荷、峰值载荷和亚临界裂纹长度均显著减小;CDR在0.3-0.5之间时，初始断裂韧性和不稳定断裂韧性都相对稳定，可视为常数。为确定试样的断裂韧性，CDR值建议在0.3-0.5之间.. 项目预期研究目标已完成，具体为:项目发表论文14篇，其中SCI检索10篇，EI检索3篇；中国发明专利2项，联合指导毕业博士生2名，硕士生1名，在读博士生6名，参加国内外学术交流8次。