考虑宏细观缺陷的页岩损伤本构模型研究

发布时间：2020-05-27 11:30

【摘要】：页岩本构关系既是对页岩力学性质的描述,又是页岩压裂改造的理论依据。页岩包含大量的微裂隙、裂缝、层理等宏细观缺陷,缺陷影响着页岩的力学性质,因此构建页岩本构模型需对宏细观缺陷加以考虑。本文通过三轴压缩实验和ABAQUS有限元软件数值模拟相结合,分析了细宏观缺陷对页岩力学性质的影响,依据岩石力学理论基础建立了考虑细宏观缺陷的页岩损伤本构模型。本文研究成果如下:(1)数值模拟结果显示:在细观损伤处易发生应力集中现象;细观损伤的存在影响着岩样的破坏形式;随着细观损伤的数目从0增加到20,破裂压力从18.04MPa减小到15.36MPa,即岩石更易发生破坏。(2)页岩三轴压缩实验结果显示:当裂缝深度从0mm增加到12.5mm时,对应的页岩峰值压力从106.2MPa减小到72.3MPa;当裂缝条数从1条增加到4条时,峰值压力从85.5MPa减小到70MPa;页岩峰值应力和弹性模量随着角度增大呈现出凹形变化的规律,45°裂缝对应的峰值应力最小,其值为85.5MPa;随着裂缝填充物(方解石)百分比的增加,弹性模量和峰值应力变化呈现为凹形,即先减小再增加,在含量为50%时值最小,其值为85MPa;通过对页岩压后的照片进行研究,发现样品主要发生剪切破坏,并且破裂面与裂缝角度有关。(3)假设岩石微元强度服从韦伯分布,并以莫尔库伦准则表示微元强度,推导细观损伤变量;根据断裂力学和损伤力学推导出单轴压缩的宏观损伤变量,再对宏、细观损伤变量进行耦合,最终得到单轴压缩载荷下的考虑宏细观缺陷的页岩损伤本构模型,将模型计算的应力-应变曲线与实验数据进行比较,发现二者吻合较好,表明所建立单轴压缩模型是正确的。(4)结合三轴实验数据,通过引入实测应力、实测应变推导细观损伤变量表达式,根据裂隙岩体的等效柔度矩阵与完整岩样的柔度矩阵推导出三轴压缩下的宏观损伤变量表达式,依据Lemaitre应变等价性原理推导出耦合宏细观缺陷的损伤变量表达式,最终建立三轴压缩载荷下考虑宏细观缺陷的页岩损伤本构模型,将三轴模型的应力-应变曲线与实验曲线对比,发现二者吻合较好,并通过分析裂缝深度、角度、条数对峰值应力的影响规律,发现该规律与实验结果相同,从而可说明所建立本构模型的正确性。
【图文】：

为了解决这一现状，各国已经加速了对非常规能源资料分析到，页岩气资源将会在未来成为一种主流的非国页岩气革命的成功，使得美国页岩气进入商业开发阶光[1-2]。天然气作为一种经济环保的能源，受到大家关球探明的页岩气可采资源总地质储量为 6.15×106亿方.35×105亿方。我国页岩气资源量丰富，页岩气的快速开大的战略意义。从 EIA 的预测结果得知，预计在 203104亿方[3]。对页岩气的开发力度不断加大，在地质条件方面，中国国海相页岩的特点是成熟度高并具有复杂的地质构造，大、成熟度低，因此美国关于页岩气的开采经验和技术页岩气开采当中，现在本国关于页岩气的开采正面临着吸取国外经验的基础上探索前进。中国页岩气的生产始×108方，预计在 2020 年中国页岩气的开采量将会达 气在我国能源方面将扮演着至关重要的角色[4]。

添加不同倾角、不同深度、不同条对其进行三轴压缩实验，分析宏观学性质的影响型的建立赋予不同的细观缺陷难以统计，而，因此采用数值模拟方法研究细观缺单轴压缩载荷下力学性质的影响，寸的大小依据文献[70]进行建立，，分，每个网格的边长为 1mm 的正方条件为：仅仅允许在垂直方向上运，这样才能更好的符合实验的真
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE31

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本文编号：2683466