基于微细观层理构造特征的页岩跨尺度各向异性力学行为研究

The micromechanical experiments indicate that the lamination formed during shale sedimentation has an important impact on shale mechanical properties, which display a significant anisotropic mechanical behavior. By now most studies focus on the relationship between lamination orientation and macro-mechanical properties, and other lamination characteristics (e.g. laminae thickness) are much less involved. These limited studies based on experiment and stimulation show that the laminae thickness has a significant influence on shale mechanical properties. Studies on shale indicate that even at micro-scale the anisotropic mechanical behavior still exists, and it becomes more significant with scale increasing. This project is planned to study shale anisotropic mechanics based on actual micro/meso lamination characteristic. A complete lamination characteristic will be built at micro/meso scale, including laminae thickness, mineral fractions and micromechanics of minerals. Bases on the actual and complete lamination characteristic of shale, an anisotropic mechanics model at macro scale is built with the help of micro/meso-mechanics, and improved by a comparison with macro-mechanical tests. This model will be used to study the impact of lamination characteristics at micro/meso scale and anisotropic mechanism at different scale, in order to guide horizontal well drilling and volume fracturing in shale gas exploration.

页岩宏观力学实验结果显示，页岩在沉积过程中形成的层理结构对其力学性质有着显著的影响，存在明显的各向异性力学特征。目前的研究主要集中在层理方向对宏观力学行为的影响，涉及到层理构造特征其它方面（例如层理厚度等）的研究较少，仅有的基于实验分析和数值分析的研究都显示层理厚度对其各向异性力学特征影响明显。在微细观尺度的力学研究结果显示，页岩在微细观尺度上依然存在各向异性，并且随着尺度的增大而更加明显。本项目将描述页岩真实的微细观层理构造特征，包括细层厚度、细层中主要组分体积分数和空间位置关系和对应组分的微细观力学特性，并以此为基础结合细观力学理论，建立页岩跨尺度各向异性力学模型，并与宏观力学实验进行对比验证。在该模型基础上，研究页岩微细观层理构造特征对宏观力学行为影响以及页岩跨尺度各向异性力学行为研究，从而为页岩开发中水平钻井和分段压裂提供理论和技术指南。

页岩宏观力学实验结果显示，页岩在沉积过程中形成的层理结构对其力学性质有着显著的影响，存在明显的各向异性力学特征，这将影响页岩气开采过程中的水平井壁稳定性和水力压裂效果。本项目通过TEM、SEM、XRD、偏光显微镜等微细观先进观察手段，发现页岩中不止粘土矿物具有片状形貌和定向分布特征，页岩中的刚性夹杂在沉积过程中具有层状分布趋势。为了简化模型，将页岩视为由基质粘土和刚性夹杂矿物组成的复合材料。基于单偏光显微镜图片和自动图像处理方法，完成页岩基质层和夹杂层的分层和统计，并基于该结果分析页岩的横观各向同性力学行为：首先建立基于Mori-Tanaka和Backus的两步均匀化方法，得到从微细观到宏观的页岩弹性参数的均匀化方法，代入文献中页岩粘土和石英的力学参数，均匀化后的结果与宏观实验结果大致吻合，存在的差异可能来自于模型简化过程中忽略了孔隙、其它矿物以及粘土弹性参数的不确定性。基于该模型，分析了影响页岩弹性参数各向异性程度的因素，并基于ANOVA统计分析方法定量得出最显著的影响因素为粘土矿物自身的各向异性，刚性夹杂矿物的层状分布趋势的影响次之。同时，再在弹性参数均匀化方法基础上，借助线性比较复合方法和等应力/等应变均匀化方法得到从微细观到宏观的三步页岩抗压强度均匀化方法，该方法得到结果与宏观参数结果较为吻合。