不同含水条件页岩力学变形、损伤及破坏机理多尺度研究

The deformation, damage and rupture of shale is a crucial issue involved in the exploitation of shale gas. This issue is complicated because of the complex microstructure of shale, which is out-of-reach by the conventional macroscopic investigations. This research project addresses multi-scale experimental investigation and modeling of the anisotropic mechanical behavior of shale with varying water content. First, macro-scale experiments are conducted to characterize the macroscopic mechanical property of shale. Then, thanks to a novel experimental method combing environmental scanning electron microscopy and digital image correlation techniques, micro-scale experimental investigations are performed to reveal the physical mechanisms governing the macroscopic properties and to provide insights into the nucleation and propagation of micro-fissures. Finally, a micromechanical damage model of shale is established that accounts for both the microstructure and the physical mechanisms, and the microstructural insight into the mechanical properties of shale (e.g., Young's modulus, Poisson's coefficient) can be gained. This project yields the basis for studying the wellbore stability and hydraulic fracturing involved in shale gas recovery.

水力耦合条件下页岩的损伤和破坏是页岩气开发中涉及的一个关键科学问题。页岩的损伤、破坏等宏观特性与页岩复杂的微结构密切相关，但是目前常规宏观方法无法进行微细观研究。针对这些特点，本课题对不同层理角度、不同含水量的页岩力学变形、损伤及破坏进行宏、细观多尺度研究。首先，通过宏观尺度试验，获得各向异性的页岩宏观力学特性，以及含水量的影响。其次，采用环境扫描电镜与数字图像相关技术相结合的实验力学新方法进行细观尺度试验，揭示宏观力学特性的细观物理机制，研究微裂缝的起裂、扩展过程。最后，基于细观尺度试验获得微结构及细观物理机制等信息，建立考虑损伤的页岩细观力学模型，给出宏观力学参数（如杨氏模量、泊松比等）的微结构解释。本项目的研究成果，将为评估页岩气开发中水力压裂、井壁稳定性等工程问题提供理论基础和试验依据。

针对页岩在宏观尺度下不同含水量条件下的力学性质特性，通过核磁共振技术以及超声波技术开展了页岩孔隙结构演化规律研究。研究结果表明，(1)通过核磁共振技术获得了页岩孔隙度以及含水饱和度变化时孔隙结构的演化规律，并通过VG模型拟合毛管力曲线得到了页岩试样的VG模型参数。(2) 通过开展单轴压缩实验，页岩的静态弹性模量随着孔隙内含水量的增大整体呈现下降趋势，但在饱和后会再次上升，页岩在不同含水饱和度下的动态弹性模量随含水量的变化趋势与静态弹性模量变化趋势相同，页岩弹性参数随含水饱和度的变化呈现出阶段性周期变化趋势。.采用环境扫描电镜和数字图像相关技术相结合的细观实验力学新方法，对不同含水量页岩进行细观力学实验研究，揭示页岩变形、损伤及破坏的细观物理机理，解释材料的宏观力学特性。研究结果表明，(1)在高含水量条件下，页岩加载过程中非线性出现的时间普遍较早。较高的加载速率也可能促进加载过程中的微裂纹的萌生。(2)通过数字图像相关技术得到了页岩破坏过程中变形场特征，开始阶段为应变硬化阶段，页岩出现大孔隙的压实以及存在裂缝的闭合导致的致密化效应，随后的应变软化阶段，出现了加载非线性及塑性损伤。(3)随含水量增加，页岩应力-应变曲线出现一定的软化，即弹性模量出现损失，塑性变形出现更早，应力-应变曲线出现初始上凹部分，且页岩临近破坏前微裂纹萌生更剧烈。.针对页岩在细观尺度下不同含水量条件下力学性质的演化过程，分析页岩水化过程中三种吸水机理建立了页岩水化过程中的力学损伤模型。研究结果表明，(1) 在毛管力吸水模拟理论方面，通过实验与模拟相结合的方法，给出了一种以核磁共振测量为基础，高效测量地层中水力参数的方法，用以快速估测由毛管力引起的吸水量。该方法与传统方法相比可以显著降低所需要的时间，快速获得地层毛管力曲线、本征渗透率及相对渗透率，并通过吸水试验验证了其准确性。(2)建立了一种通过修正岩石压缩系数估测由于表面水化引起的吸水的方法，并将其与毛管力、化学渗透作用下的控制方程结合，给出了综合考虑三种吸水机理的页岩吸水过程的控制方程，并验证了其模型预测结果的可靠性。