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随着四川盆地页岩气资源调查和勘探工作的不断深入,龙马溪组页岩储层已成为我国页岩气研究的重点。该储层具有低孔低渗、天然裂缝及层理发育等特征,相比常规油气储层其力学性质具有特殊性。页岩层理面是地层中的薄弱面,是影响井壁稳定和水压致裂形成缝网的重要因素。因此,考虑层理效应的页岩力学性质和破裂过程研究对钻井、完井施工及压裂改造有重要的指导意义。 论文以中国科学院战略性先导科技专项(B类)子课题“页岩压裂缝网形成的非线性机制与模型”(XDB10030302)为依托,对龙马溪组层理状页岩开展了力学试验,并结合声学监测手段,研究各向异性页岩渐进性破裂过程中裂纹的演化和声学参数变化特征,并提出一个可描述页岩脆性度的新指标,主要研究成果如下: (1)研究了层理状页岩单轴压缩破裂过程各特征点应力、应变阈值及阈值比,发现峰值强度和扩容应力阈值及相应的应变阈值随层理变化明显,而裂纹起始应力阈值及相应的应变阈值随层理变化较小。扩容点与峰值点侧向应变比(ε3cd/ε3ucs)受层理影响较大,其它应力阈值比及应变阈值比离散度较小,故可采用除ε3cd/ε3ucs之外的各应力闽值比与应变阈值比预测各向异性岩石的宏观破裂。 (2)均质度参数m可作为评价岩石材料脆性的指标,其由峰值强度σucs、轴向峰值应变εlucs及弹性模量E确定。该指标亦能反映峰后应力的跌落情况,试验结果表明其合理。 (3)随岩石渐进性破裂演化,首波振幅及振幅比变化明显。因此可采用纵、横波首波振幅及振幅比综合判断突变点,作为岩石宏观破裂的前兆信息。 (4)采用不同应力水平循环变幅加卸载试验,模拟动态加载对裂缝形成过程的影响。发现不同加载方式对不同层理方向页岩的破裂形态影响不同。当垂直于层理进行加载时,循环加卸载方式较单轴加载方式压裂效果好,且在较大应力水平循环加卸载方式下压裂效果最好。 (5)对于动态加卸载条件下岩石的破裂过程,加载时b值小于卸载时b值,这一现象可作为岩石宏观破裂的前兆。 (6)对不同角度层理页岩样加卸载过程中不同类型裂纹的发展规律进行研究后,发现裂纹密度变化趋势受加载方式影响,裂纹类型受层理影响。