压裂或酸压工艺已经成为碳酸盐岩油气藏开采、建产、稳产和增产的关键技术之一。压裂或酸压后形成一定长度的人工裂缝为油气提供通道或是沟通天然裂缝时,其导流能力则就成为评价施工效果的重要参数之一。而人工裂缝的导流能力与裂缝表面的细观形态密切相关,不同岩性、不同地质条件下岩石的裂缝表面各异,因此定量化研究裂缝表面的形态特征和闭合规律显得尤为重要。目前对裂缝表面形态的定量化研究较少,特别是裂缝两面在应力作用下的状态缺乏研究,前人在对裂缝闭合规律研究时多基于岩石力学参数建立模型,并未考虑微凸体的不同变形阶段。而前人在对粗糙面接触研究中,虽然完善了变形阶段,但建立的模型存在不连续性和不光滑性,目前对裂缝表面微凸体接触的理论研究相对比较薄弱。论文在大量文献调研基础之上,对碳酸盐岩裂缝的特征进行了概述,总结裂缝表面形态定量化研究的难点及发展趋势;总结出一套测试不同闭合压力下裂缝面法向闭合量的实验方法及流程,精确测量不同闭合应力下裂缝面的法向闭合量;采用新型三维数字化方法对裂缝表面形态进行数字化成图,经过与导师共同设计研发的三维数据处理软件,对裂缝面数据进行深入分析处理,从而获得裂缝面的特征参数,并通过这些特征参数对裂缝面进行定量化表述;分析研究了裂缝特征参数与闭合应力的关系;结合实验验证了弹塑性混合变形区间的存在;通过对经典接触模型的讨论,基于一定的假设,建立了微凸体和粗糙面的接触理论模型,获得了模型的解析解。论文取得的主要研究认识与成果有:(1)总结出一套测试不同闭合压力下裂缝面法向闭合量的实验方法及流程,准确的评价法向闭合量随闭合应力的变化关系;在法向闭合量随闭合应力的变化关系曲线上,变形初期随着闭合应力增加,法向闭合量迅速增加;在变形后期则是呈现相反的变化趋势。(2)基于新型三维形貌扫描仪对裂缝面进行三维扫描,获得裂缝面真实的三维图像。根据“三维扫描解释软件”对扫描数据进行处理分析,获得裂缝面在组合形态下的特征参数(吻合度和裂缝间距),通过吻合度和裂缝间距对裂缝面组合形态进行定量化表征。(3)根据法向闭合量与闭合应力关系曲线,在10MPa时闭合量曲线出现拐点。在小于10MPa的压力时,闭合应力与法向闭合量满足二次多项式关系。说明在低闭合应力下,裂缝面的法向闭合主要跟微凸体的弹塑性变形有关;而高闭合应力下,则可能是由于微凸体破碎等因素所导致。闭合应力在大于10MPa时,法向闭合量增幅不明显,这是由于大量微凸体塑性变形所导致。(4)根据吻合度的定义,结合法向闭合量与闭合应力关系,求出了吻合度与闭合应力的关系,可以通过此关系预测不同闭合应力下裂缝面的吻合度,从而获得其实际接触面积,预测实际接触面积变化趋势。(5)通过实验测得不同闭合应力加载并卸载后的裂缝面吻合度,结合吻合度与闭合应力的关系曲线,获得了计算吻合度与实测吻合度的对比关系,从而验证了裂缝面接触时既有弹性变形也有塑性变形。(6)根据经典接触理论模型,建立了论文的微凸体接触理论模型,并通过数学方法求解出了完全弹性-弹塑性混合变形-完全塑性变形三个阶段的接触变量与法向闭合量的关系,并建立了粗糙面接触模型。通过对比经典的接触模型,验证了论文模型的适用性。论文旨在通过分析裂缝表面的形态,建立基于细观力学的裂缝接触模型,引入插值法对复杂接触问题进行求解,获得较为简单的解析解,为裂缝的精细研究提供支持。