熱力耦合作用下油頁巖損傷與斷裂力學行為研究.pdf

1、油頁巖，作為一種非常規(guī)油氣資源，其固體骨架中含有有機物干酪根，受熱分解后，能夠得到頁巖油和混合烴類氣體產(chǎn)物，進而為許多行業(yè)提供能源，并有望緩解石油消耗壓力。隨著油頁巖地面開發(fā)利用方式所暴露出的環(huán)境污染、資源浪費等問題日益嚴重，油頁巖的原位地下轉化技術勢必將成為未來對其開發(fā)利用的新方式。
　　油頁巖原位轉化過程分為以壓裂為主的儲層改造和油氣開采兩方面，本文主要針對第一方面開展工作。油頁巖屬于層理發(fā)育沉積巖，層理之間多含水分、氣體和其

2、他礦物雜質，造成其垂直層理與平行層理方向的力學、熱學特性存在較大差異，并且壓裂的過程是一個考慮熱力相互耦合的損傷與斷裂力學問題，所以，深入分析油頁巖在多場耦合條件下的損傷與斷裂力學行為，可以對未來實際開展油頁巖原位轉化技術提供理論與應用參考。
　　本文主要研究內(nèi)容及結論如下:
　　(1)溫度-應力耦合條件下的本構關系研究。將原位壓裂油頁巖的問題簡化為平面正交各向異性問題，研究在應力-溫度耦合條件下該問題的本構關系，發(fā)現(xiàn)這一關

3、系比空間各向同性問題復雜，進而，結合現(xiàn)有通用有限元求解程序，可進行油頁巖斷裂力學的數(shù)值模擬。
　　(2)油頁巖熱物理特性試驗研究。利用熱膨脹系數(shù)測試儀和導熱系數(shù)測試儀，在25℃～300℃范圍內(nèi)，測試油頁巖沿平行層理方向及垂直層理方向的導熱性能與熱膨脹性能隨溫度的變化規(guī)律，并結合已有油頁巖高溫熱解孔裂隙演化規(guī)律及失重試驗，近似擬合出300℃～600℃范圍內(nèi)油頁巖熱學參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。結果表明，由于油頁巖本身結構的各向異性，導致不

4、同方向熱物理性能差異較大，得到的熱物理參數(shù)隨溫度的函數(shù)變化規(guī)律用于斷裂與損傷數(shù)值計算。
　　(3)油頁巖熱力損傷數(shù)值分析。利用FLAC3D建立標準試件模型，并利用FORTRAN語言編寫了單元材料特性服從Weibull隨機分布通用程序，使模型中的單元屬性呈概率化分布，以體現(xiàn)巖石非均質特征。對試件的應力、位移分布規(guī)律、溫度以及升溫速率隨時間變化規(guī)律等進行分析，并計算損傷度。結果表明，受約束的試件在溫度單獨作用下便會產(chǎn)生熱應力，并且，在

5、溫度-應力耦合作用下油頁巖的損傷呈現(xiàn)各向異性，將得到的損傷信息用于斷裂力學數(shù)值計算。
　　(4)斷裂力學數(shù)值計算:單一裂縫擴展數(shù)值分析。編寫ANSYS程序及(3)中提及的單元特性隨機分布通用程序建立非均質平面正交各向異性的油頁巖數(shù)值模型，在溫度-應力耦合作用下，對原位壓裂油頁巖過程中巖層的起裂、裂縫擴展規(guī)律進行研究。以張開型裂縫應力強度因子KI作為表征參數(shù)，分析了開裂壓力的動態(tài)變化規(guī)律，并且分析了隨著裂縫擴展，含裂縫油頁巖礦層的斷

6、裂力學特征，數(shù)值模型裂紋尖端的應力、應變、位移等分布特性與斷裂力學解析結果比較吻合。
　　(5)多條裂縫擴展的相互影響分析。引進“位移壓縮荷載”概念，定性地淺析了多裂縫分段壓裂時的裂縫之間干擾特征，定義無量綱“擾動因子，，和“互擾因子”概念，定量地分析了多裂縫的相互影響性質以及影響程度，結果表明:多裂縫之間的相互影響均表現(xiàn)出抑制裂縫擴展的作用，并且該影響與裂縫間距緊密相關，不同位置裂縫之間相互的影響強度并不相同，據(jù)此，從減小裂縫擴