硬脆性泥页岩孔隙压力传递力学效应研究

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硬脆性泥页岩地层不仅是钻井工程中常遇到的复杂地质体,而且也是页岩气的主要赋存地质体。与传统的水化膨胀性泥页岩地层不同,硬脆性泥页岩中伊利石、高岭石、绿泥石等非膨胀或弱膨胀性粘土矿物含量较高,膨胀性粘土矿物蒙脱石、伊蒙混层含量低,并且微裂缝发育,相对于水化膨胀性泥页岩地层,对该类地层的相关基础研究还极不系统。论文通过文献调研并采集野外硬脆性泥页岩露头,从理论研究、物理模拟实验和数值模拟实验三方面出发,对硬脆性泥页岩孔隙压力传递规律及其对硬脆性泥页岩地层中裂缝扩展和垮塌的影响进行了研究。取得的主要认识如下:(1)硬脆性泥页岩与外部流体接触时,泥页岩中发育的微裂缝是流体进入其中的主要通道,水力压差和工作液与泥页岩水间的化学势差是驱动工作液中水相进入泥页岩地层内部的重要动力。(2)孔隙压力传递物理模拟实验结果表明:对硬脆性泥页岩,孔隙压力传递过程中的水力劈裂作用是引起其失稳破坏的重要原因。孔隙压力传递作用将导致岩石内部萌生微裂缝,或使原生裂缝扩展、贯通,进而改变岩石的完整性,降低岩石块体强度,最终导致岩石失稳破坏。硬脆性泥页岩遇水易分散的特性使其破坏过程变得更加复杂。(3)基于RFPA2D-Flow软件的数值模拟结果表明:在孔隙压力传递过程中,岩体的破坏过程主要分为以下几步,即压力聚集、起裂、次生裂缝产生、裂缝扩展并贯通。其中前三步是裂缝的稳定扩展阶段,当裂缝开始扩展和贯通时,裂缝加速扩展至岩体破坏,此为裂缝的不稳定扩展阶段。裂缝的长度、位置及倾角也是影响硬脆性泥页岩稳定性的重要因素。
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