隨著我國(guó)煤炭石油等傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日趨緊張以及環(huán)保壓力的逐漸增加,作為一種新型清潔能源,頁(yè)巖氣發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量十分豐富,分布區(qū)域廣泛,開采潛力巨大,但頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一般具有 低孔低滲‖特點(diǎn),需要經(jīng)過(guò)大規(guī)模水力壓裂,進(jìn)行體積改造,才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜多變、埋深較大,目前無(wú)法對(duì)地層深部水力裂縫的擴(kuò)展過(guò)程以及裂縫形態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè),再加上對(duì)體積改造機(jī)理缺乏深入的認(rèn)識(shí),雖然部分頁(yè)巖氣井已實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采,但施工過(guò)程仍具有盲目性,造成了一定的資源浪費(fèi),因此掌握頁(yè)巖氣藏水力壓裂裂縫延伸規(guī)律,研究水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理,分析影響裂縫擴(kuò)展的主要因素等具有重要意義。本文以龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象,開展了頁(yè)巖基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)、本構(gòu)模型、儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)、大型室內(nèi)水力壓裂物理模擬試驗(yàn)及相關(guān)理論研究,主要內(nèi)容如下:(1)頁(yè)巖各向異性特征:通過(guò)SEM電鏡掃描以及X射線衍射技術(shù),分析了頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征以及礦物組分特征,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖內(nèi)部含有大量微裂隙和微孔隙,頁(yè)巖中以石英為主的脆性礦物含量高達(dá)75.42%,可壓性較高;通過(guò)對(duì)不同層理傾角下的頁(yè)巖進(jìn)行波速測(cè)試、單三軸壓縮試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖的波速特征、應(yīng)力應(yīng)變曲線、變形特征、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、破壞模式、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性等物理力學(xué)性質(zhì)均具有明顯的各向異性特征,分析認(rèn)為產(chǎn)生各向異性的根源是層狀沉積結(jié)構(gòu)和層理間的弱膠結(jié)作用;(2)本構(gòu)模型:基于不同加載速率下頁(yè)巖的高圍壓三軸壓縮試驗(yàn),充分考慮損傷變量的變化規(guī)律,以屈服應(yīng)力為界,改進(jìn)了新的微元強(qiáng)度度量方法,建立了高圍壓下頁(yè)巖的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型,并對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證和討論;(3)脆性特征:基于頁(yè)巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,采用脆性跌落系數(shù)、應(yīng)力降系數(shù)和軟化模量等,建立了脆性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo),通過(guò)頁(yè)巖的基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了其適用性,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖脆性較高,屬于高可壓性地層,脆性指標(biāo)隨著圍壓的增加而降低,降低速度逐漸減小,頁(yè)巖脆性具有明顯的各向異性特征,相同圍壓下層理傾角為0°和90°的頁(yè)巖脆性指數(shù)最高,60°次之,30°最小;(4)水力壓裂試驗(yàn):基于真三軸物理模型試驗(yàn)機(jī)、水力壓裂伺服系統(tǒng)、聲發(fā)射定位系統(tǒng),試驗(yàn)前在壓裂液中添加示蹤劑,試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行剖切分析和大型工業(yè)CT掃描等方式,建立了一套室內(nèi)頁(yè)巖水力壓裂大型物理模擬試驗(yàn)方法以及水力裂縫表征方法,分析了豎直井和水平井壓裂條件下頁(yè)巖試樣水力裂縫的延伸與空間分布規(guī)律,并對(duì)頁(yè)巖壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的各形成機(jī)制進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)井筒末端出水口和層理面的位置關(guān)系、層理面的膠結(jié)程度、天然裂縫的發(fā)育程度與裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成密切相關(guān),層理面膠結(jié)程度適中地層最有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成;在水平井壓裂條件下,對(duì)比分析了水力裂縫在頁(yè)巖、致密砂巖、介殼灰?guī)r等露頭巖石中的擴(kuò)展規(guī)律,揭示了巖性、層理面、天然裂縫、水平地應(yīng)力差、壓裂液排量和粘度等對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響;(5)裂縫擴(kuò)展斷裂力學(xué)模型:基于含2個(gè)預(yù)制共線裂隙頁(yè)巖的單軸壓縮試驗(yàn),研究了含共線閉合裂隙頁(yè)巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,從斷裂力學(xué)角度解釋了裂紋起裂的順序,推導(dǎo)了板狀頁(yè)巖的脆性斷裂準(zhǔn)則;結(jié)合室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn),從斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)角度,對(duì)水平井壓裂條件下水力主裂縫的起裂壓力以及水力裂縫與天然裂縫(層理面)的交互作用進(jìn)行了定量計(jì)算,并給出了交互作用的判據(jù),分析了裂縫的擴(kuò)展機(jī)制和裂縫之間的干擾機(jī)制。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE377
【部分圖文】：

圖 1.1 全球油氣產(chǎn)量發(fā)展趨勢(shì)圖Fig.1.1 The production trends of global oil and gas圖 1.2 我國(guó)天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量變化圖Fig.1.2 The output and apparent consumption of China natural gas

圖 1.2 我國(guó)天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量變化圖Fig.1.2 The output and apparent consumption of China natural gas圖 1.3 世界頁(yè)巖氣資源主要分布g.1.3 The main distribution area of shale gas resources in the world

被確定為我國(guó)首批實(shí)施頁(yè)巖氣勘查工作的目標(biāo)區(qū)。四川盆地寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組頁(yè)巖地層也存在著豐富的頁(yè)巖氣資源。如圖1.5，2011年國(guó)土資源部組織27家單位對(duì)我國(guó)含氣頁(yè)巖層段進(jìn)行了勘測(cè)，完成了全國(guó)首次頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)稱中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3，從�。▍^(qū)、市）分布上來(lái)看，四川、新疆、重慶頁(yè)巖氣含量位居前三，分別為 27.50×1012、16.01×1012和 12.75×1012m3，資源較多的四川、重慶、湖南、貴州、新疆、湖北、陜西等共占全國(guó)總資源量的 68.87%[7]。我國(guó)頁(yè)巖氣具有分布范圍廣、厚度大、埋藏淺、有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度低等特點(diǎn)，適合采用水力壓裂開采

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊志鵬;何柏;謝凌志;李存寶;王俊;;基于巴西劈裂試驗(yàn)的頁(yè)巖強(qiáng)度與破壞模式研究[J];巖土力學(xué);2015年12期

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本文編號(hào)：2808378