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作者：

郝亮亮

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摘要：

页岩由于长时间的沉积作用与颗粒的择优取向,使得页岩在微观结构中表现出明显的纹层状结构及非均匀性质,这些特性对压裂过程具有重要的影响。本文采用试验与数值模拟相结合的方法,分析研究了纹层状页岩在单轴压缩与水力压裂过程中的相关特性。本文对现有的一般强度理论进行总结与比较,并在此基础探讨了适用于页岩的横观各向同性材料的强度准则。利用UTM5000微机控制电子万能试验机和PCI-2声发射系统对江西省赣北地区的页岩进行单轴压缩试验,分析比较了不同区域、不同纹层角度下页岩单轴压缩破裂过程中力学性质、声发射特性等差异。利用RFPA-3d-basic软件,对纹层状页岩单轴压缩过程进行模拟。通过改变模型参数,研究了不同加载速率、均质度、纹层角度以及纹层强度差下页岩裂纹的起裂扩展规律,并且针对岩石破裂过程中产生的声发射现象、力学性质、以及破裂过程的差异性进行了比较。利用RFPA-3d-flow软件,对单一介质页岩与纹层状页岩在不同围压工况下的水力压裂过程进行模拟,分析裂纹起裂、扩展、贯通的规律。并进一步研究了垂直地应力对裂纹扩展的影响,以及不同纹层渗透系数对压裂过程的影响。研究结果表明,页岩纹层结构对破坏有较大影响。在单轴压缩试验中,具有水平纹层与竖直纹层的页岩破坏形式分别表现为剪切破坏与劈裂破坏,峰值强度、弹性模量、声发射累计数后者大于前者。且随着加载速率、均质度的增大,页岩单轴压缩过程峰值强度增大,声发射累计数前者增大,后者减少。纹层强度差增大,裂纹出现明显的阶梯状,弱层止裂作用增强。水力压裂过程中,对于单一介质页岩破裂面垂直于最小主应力,纹层状页岩当渗透系数相近时裂纹由纹层性质与围压共同决定,低垂直地应力下产生水平破裂面,但通过提高垂直地应力最终将产生竖直破裂面。当渗透系数差异较大时,水压力扩展方式由空间扩展变为层面扩展,垂直地应力对裂纹影响作用减弱,最终破裂面由纹层性质决定并产生水平破裂面。

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关键词：

纹层结构；页岩；单轴压缩；水力压裂；数值模拟

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1016.263248