层理和天然裂缝共同作用下页岩气水平井壁变形破坏机理研究

In most of the shale with bedding and natural fractures, the geo-mechanical properties show significant anisotropy and scale effect, which is the key factor determining the horizontal borehole stability. The objective of this study is to investigate the deformation and failure mechanisms of horizontal borehole in shale with bedding and natural fractures. Through GCTS three axis compression system and industrial CT scanner, we will reveal the macro-meso scale failure mechanisms of shale with different bedding angles. Based on fractured tensor theory and elastic-plastic theory we will establish the constitutive equation of anisotropy for shale. Then we will develop discrete element method considering the bedding and fracture nature of shale, which will be used for analyzing the effect of natural fractures on shale and the geo-mechanical anisotropy and scale effect of shale, thereby revealing the deformation and failure mechanism of horizontal borehole. The research will help in deepen the understanding on the theory of horizontal borehole stability, and facilitate on the horizontal borehole design and parameters optimization for shale gas production.

层理和天然裂缝共同作用下的页岩岩体力学性质表现出各向异性和尺度依赖性，是页岩气水平井壁稳定性研究的难点。项目围绕层理和天然裂缝共同作用下页岩水平井壁变形破坏机理展开系统研究。通过GCTS三轴压缩系统和工业CT综合手段，研究不同层理角度下页岩强度、变形、破坏模式以及内部裂纹分布特征，揭示不同层理角度页岩宏细观破坏机理；发展页岩储层非贯通节理、裂缝在3DEC中的数值模拟方法，用于分析裂缝对层理性页岩变形破坏的影响机制；研究层理裂缝共同作用下页岩岩体的尺度依赖性和各向异性，基于裂隙张量理论和弹塑性理论建立裂隙张量特征量表征的页岩各向异性本构方程；建立层理、裂缝页岩储层3DEC数值模型，进行水平井的开挖模拟，研究水平井壁变形破坏的影响因素；结合试验和数值模拟结果揭示层理裂缝共同作用下页岩气水平井壁变形破坏机理，为页岩气水平井设计参数优化提供理论依据。

含天然裂缝的层理性页岩岩体力学性质表现出各向异性和尺度依赖性，是页岩水平井壁稳定性分析的难点。项目围绕层理和天然裂缝共同影响下页岩岩体力学性质和水平井壁稳定问题采用野外地质调查、室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究。取得了以下研究成果：（1）基于常应变和不同应变率下单轴压缩试验结合超声波实时监测获得了层理页岩破坏模式、抗压强度、弹性模量、泊松比各向异性特征，建立了层理页岩的横观各向同性本构方程；探索了不同加载速率下页岩各向异性影响机制；获得了超声波波速和振幅、频率等动力学参数随应力变化规律，分析了不同层理页岩单轴压缩下超声波波速和相关动力学参数对变形特征的响应。（2）采用CT实时扫描技术监测层理性页岩在单轴加载过程中裂纹扩展过程；利用巴西劈裂和半圆盘三点拉弯试验与白光数字散斑相关方法相结合的方法，获取页岩变形场、位移场演化规律，建立了损伤演化因子曲线；采用计算几何学上的Voronoi单元划分技术和离散元思想较为真实的模拟层理页岩裂纹产生和扩展规律；利用裂纹尖端应力场Williams解，推导了页岩I型裂纹沿层理方向的新分叉裂纹尖端应力场。基于最大周向应力判据，建立了考虑T应力的I型裂纹沿层理起裂扩展准则，探讨了不同层理角度下裂纹沿层理面起裂与扩展规律。以上研究共同揭示了层理性页岩各向异性细观损伤演化机理。（3）分析了柴达木盆地石炭系石灰沟地区某露头页岩的天然裂隙和层理特征，建立了三维裂缝网络数学模型；推导了横观各向同性本构下虚拟节理刚度的解析解，建立了含天然裂缝层理性页岩岩体的离散元数值模拟方法。（4）基于离散元数值模拟方法研究了柴达木盆地石灰沟地区页岩岩体力学学参数的尺寸效应和对层理倾角的敏感性，确定了页岩岩体的REV，得到了裂隙张量表征的各向异性本构方程，在此基础上研究了含天然裂隙的层理性页岩水平井壁变形破坏规律，揭示了页岩水平井壁失稳机理。