含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式_张家伟.pdf
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1、投稿网址:年 第 卷 第 期,():科 学 技 术 与 工 程 引用格式:张家伟,刘向君,熊健,等 含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式 科学技术与工程,():.,():.含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式张家伟,刘向君,熊健,梁利喜,张文(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都)摘 要 以含缺陷岩石为研究对象,通过离散元法生成不同数量和角度的裂隙,研究裂隙数量、分布模式以及在围压条件对岩石力学特性和破坏模式的影响,结果表明:随着裂隙数量的增加,岩样的抗压强度呈现负指数变化,弹性模量呈现线性下降;随着裂隙数量和围压的增加,岩样破坏对应的新裂缝数量随之减少,角度主要集中在 左右,
2、并服从正态分布,围压对新裂缝不对称性具有抑制作用。垂直于最大主应力方向的原生裂缝对应力具有屏蔽作用,但围压可以有效减轻这种应力屏蔽作用。建立损伤变量力学评价方法,定量分析了裂隙数量和岩石损伤变量之间的关系。关键词 页岩;裂缝数量;分布模式;力学性质;评价方法中图法分类号;文献标志码 收稿日期:;修订日期:基金项目:西南石油大学青年科技创新团队()第一作者:张家伟(),男,汉族,新疆博乐人,硕士研究生。研究方向:岩石力学。:。通信作者:刘向君(),女,汉族,四川资中人,博士,教授。研究方向:岩石力学。:。,(,),;随着中国石油工业的发展和油气勘探技术的进步,非常规油气资源已经成为中国油气资源勘
3、探开发重点领域。非常规油气资源整体资源品味较低,储层岩石的非均质性较强,微裂隙及层理发育,导致钻井过程中井壁失稳和压裂改造问题突出。岩石内部结构构造复杂,经历各种地质构造作用使岩石存在节理、层理、片理、天然裂缝和微裂隙等缺陷,导致具有缺陷岩石的力学性质和破坏机理非常复杂。在钻井及压裂增产改造过程中往往伴随着原生裂缝和次生裂缝不断起裂、扩展和贯通。如果对其性质和机理认识不清则难以预防在钻井过程中出现的井壁坍塌和失稳等钻井事故。因此深入研究含缺陷岩体的力学性质及破坏机理具有重要意义。近年来含缺陷岩石的力学性质和破坏机理一直是岩石力学研究者的热点领域。学者们采用室内实验、数值模拟和理论推导等方式深入
4、研究了含缺陷岩石的力学性质及破坏机理。首先对于预制裂隙数量较少的岩石在室内试验采用切削,数值模拟则采用删除颗粒等方式制作;对于预制裂隙数量较多的岩石一般采取概率分布或扫描图 片 与信息提取相结合的方式生成。切削和删除颗粒等方式主要使用 和 等数值模拟软件,通过单个裂缝倾角、多裂缝组合来分析岩石的力学特性及破坏模式。对了解带缺陷岩石的力学特投稿网址:性及破坏模式有重要意义。然而删除颗粒过于理想化、采用切削等方式制作的岩石裂缝因为宽度较大不能称之为裂缝,具有较大的局限性。对于预制裂隙数量较多的岩石,通常岩体尺寸较大,很少研究岩石的强度特性及破坏机理。非常规储层地质环境复杂,多裂隙岩石的裂缝扩展表明
5、裂缝间的应力分布较为复杂。仅考虑在单轴压缩条件下的含缺陷岩石的力学性质及破坏模式较难满足实际储层岩石所处的地层条件。已有的研究结果大都基于单轴压缩条件下进行实验和模拟,条件比较单一,没有考虑预制裂隙数量和围压对岩石力学性质及破坏模式的影响,未获得不同围压下含缺陷岩石完整的裂缝网络、岩石的力学特性和损伤变量。现采用离散元法,在标准岩样中生成不同数量和不同角度的随机裂隙。采用平行黏结模型,通过室内实验进行细观力学参数标定。研究不同围压下裂隙的数量和角度对岩石力学特性的影响以及岩石损伤变量变化,分析岩石的破裂过程。以期为非常规油气勘探开发、预防后续钻井完井事故和压裂改造提供参考。模型的建立与细观参数
6、标定.颗粒流模型的建立对于岩石来说,损伤不仅仅是一种状态,更是一个从细观到宏观的跨尺度过程。岩石的细观损伤是其后阶段的初始损伤,初始损伤的扩展和细观裂缝的萌生是损伤演化的过程。岩石在破裂时,其内部裂缝的产生和扩展主要沿矿物颗粒边缘进行的,这表明对岩石的破裂过程在细观尺度上研究是合适的,细观水平上岩石的破裂过程仍然是当前研究的主要方法。离散元法在模拟岩石力学性能演化、裂缝扩展和材料颗粒之间相互作用具有较好的模拟效果,在岩石力学领域得到了广泛的应用。在离散元法中采用颗粒表示岩石的矿物组分,采用键表征岩石矿物颗粒间的黏结特性,黏结模型采用平行黏结模型。平行黏结类似于在颗粒之间具有剪切刚度和法向刚度的
7、弹簧,可以传递力与力矩。当黏结形成,颗粒接触点相对运动会在接触点形成力与力矩,当接触点上的力与力矩超过其最大法向和切向刚度,黏结键发生断裂,力与力矩移除,本构模型如图 及式()所示。其破坏准则比较接近岩石真实的破坏情况,故采用平行黏结模型进行后续研究。常规模拟过程中边界条件可以分为刚性边界和柔性边界。刚性边界作为最常用和使用最多的一种边界条件,其原理是通过控制两侧刚性边界的速度来达到控制边界伺服应力的目的。而实际上,在常规室内实验中通常采用的都是橡胶等。故数值模型采用粒径很小的颗粒充当边界的约束条件也就是柔性边界,如图()所示。通过施加给柔性边界每一个颗粒集中力的方式维持所需要的围压。为接触间
8、隙;和 分别为线性法向和切向刚度;和 分别为平行黏结法向和切向刚度;?为法向黏结强度;为内摩擦角;为内聚力;为颗粒间摩擦因数图 数值模型示意图.()式()中:为接触点处的法向力;为接触点的弯矩和扭矩;为两接触颗粒的平均半径;为横截面面积;为惯性矩;为力矩贡献系数。.细观参数标定当确定计算模型后,离散元法是颗粒与颗粒之间的黏结,因此,赋予模型的细观参数需要反映颗粒与颗粒之间黏结的力学性质,在室内实验是无法直接获得的。在赋予参数时,研究人员通常采用室内实验获得岩石的应力应变曲线和破坏形态作为参考,使用“试错法”调整模型的细观参数。得到模型结果与室内实验应力应变曲线及破坏形态基本一致,通过试错法得到
9、的细观参数通常被认为是正确的。对页岩进行室内常规三轴实验加载系统采用 高温高压岩石三轴流变仪,轴向最大载荷 。实验采用按位移加载,加载速率为 。模型共 个颗粒、个平行黏结。室内实验所使用的岩样尽管已经通过外观及,()张家伟,等:含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式投稿网址:声波测试筛选,但不可避免地包含天然的微裂缝,考虑到预制裂隙的规模较岩样本身存在的微裂缝大,所以将岩样当作无损材料进行细观参数的标定。首先调整数值模型的粒径比使破坏形态与室内试验相一致,其次调整模型平行黏结抗拉强度和内聚力使模型的强度和室内试验的强度保持一致,最后调整颗粒模量和黏结接触模量使两者的弹性模量达到较好的匹配,数值模
10、型细观参数如表 所示。结果显示,数值模型与室内实验在单轴条件下应力应变曲线与破坏模式基本上吻合,如图()和图()所示。为保证模型力学参数的准确性,在围压条件下进行室内实验和数值模拟,两者也具有较好的一致性,如图()所示。图 数值模型和室内实验对比图.为了研究不同围压下随机分布裂隙对岩石力学特性及破坏模式的影响,随机生成离散裂缝网络(,),裂隙角度为 、长度为.、厚度为.。建立预制裂隙数量分别为、的岩样如图 所示。分别在、和 条件下进行压缩实验。图例中,中 代表预制裂隙,下角标 代表围压(),代表裂缝数量图 不同预制裂隙岩样图.表 数值模型细观参数 细观参数值细观参数值颗粒密度()颗粒摩擦因数.
11、颗粒半径比平行黏结模量.孔隙度.平行黏结刚度比.接触黏结模量.平行黏结内摩擦角().颗粒模量.平行黏结抗拉强度 颗粒阻尼 ().平行黏结内聚力 数值模型的力学特性及破坏模式.力学特性选取 组典型的压缩实验,应力应变曲线如图 所示。岩样的峰值强度和峰值应变随着预制裂隙数量 的增加而降低。当围压为 时,峰值应力从.降低至.,峰值应变从.降低至.;当围压为 ,时峰值应力从.降 低 至.,峰 值 应 变 从.降低至.;当围压为 时,峰值应力从.降低至.,峰值应变从.降低至.。岩样峰值应力和峰值应变随着围压的增加而增加,表明随着围压的增加岩样的脆性减弱延性增加。此外,岩样的弹性模量随着围压的增加而增加,
12、随着预制裂隙数量的增加而减科 学 技 术 与 工 程 ,()投稿网址:图 岩样在不同围压下应力应变曲线.小。为了进一步分析预制裂隙与岩石力学性质的关系,绘制岩样的峰值应力、弹性模量和裂缝数量之间关系图,如图 所示。可知,岩石的峰值应力和弹性模量随着裂缝数量的增加呈线性下降。图 不同围压岩样的峰值应力和弹性模量.破裂模式及裂缝分布岩样在加载后的破坏形态如图 所示。选取预制裂隙数量为、的压后岩样进行破坏形态分析:随着预制裂隙数量的增加,新裂隙数量随之降低,如图 中蓝色椭圆圈所示。随着围压的增加,岩样在破坏时产生的新裂缝从在预制裂隙之间连通转变为在岩石内部连通,如图 中黄色椭圆圈所示。当围压为 时,
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