【摘 要】
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页岩气井完井后,由于页岩气储层渗透率通常很低,只有极少部分页岩气储层的天然裂缝较为发育,绝大多数都需要进行水力压裂、酸化等储层改造后才能投入生产,获取稳定的工业产量。由于页岩属于弹脆性岩石,在进行改造和生产过程中,页岩气井壁围岩会长期受到循环荷载和水岩作用的影响,可能引起页岩气井壁失稳。为了更深层次了解应力路径和含水率对页岩的变形及能量演化机制,本论文以四川长宁下志留统龙马溪组露头黑色页岩为研究对
【基金项目】
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重庆市科技计划资助项目（No.cstc2015jcyjA90009）《页岩气藏开采过程渗透特性及固气耦合作用机理研究》；
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页岩气井完井后,由于页岩气储层渗透率通常很低,只有极少部分页岩气储层的天然裂缝较为发育,绝大多数都需要进行水力压裂、酸化等储层改造后才能投入生产,获取稳定的工业产量。由于页岩属于弹脆性岩石,在进行改造和生产过程中,页岩气井壁围岩会长期受到循环荷载和水岩作用的影响,可能引起页岩气井壁失稳。为了更深层次了解应力路径和含水率对页岩的变形及能量演化机制,本论文以四川长宁下志留统龙马溪组露头黑色页岩为研究对象,通过三轴压缩、数值模拟和循环荷载物理力学实验,综合运用岩石力学、损伤力学、热力学等理论方法,对页岩在应力路径和含水率下从变形到破坏过程的力学参数变化进行了研究,得到了以下主要结论:（1）三轴压缩下页岩的能量比例曲线可将页岩变形破坏中能量转化过程分为能量强化和弱化阶段,σa/σp和σb/σp的比值较好反映出页岩的能量强化特性随围压的增加而减弱,反之,弱化特性随围压的增加而增强。在RFPA数值模拟中,随侧压的逐渐递增,页岩模型的破坏形式由低侧压的拉伸破坏逐步向高侧压的剪切破坏方向发展,声发射图像可以观测页岩模型的裂缝裂纹的形态及走向。（2）含水率增加,页岩的变形增大,峰值强度和弹性模量降低。含水率高的页岩在孔裂隙压密阶段的声发射能量较含水率低的高,弹性变形阶段均较少,塑性变形阶段信号开始逐渐增多,直到破坏瞬间,AE能量信号急剧增大,且含水率越低,AE能量量级越高。声发射信号变化反映出不同含水状态页岩内部能量演化过程。（3）逐级循环荷载下,饱水页岩的加、卸载变形模量均比天然页岩小,加载变形模量整体比卸载变形模量小;在加、卸载阶段,均出现应变始终滞后于应力的现象;饱水页岩的滞后效应比天然页岩更明显;提出了考虑滞后效应的能量计算方法,较以往能量计算的误差更小;最后基于能量原理对阻尼比的计算公式进行了修正,发现饱水页岩的阻尼比比天然页岩大。（4）变上下限等幅循环荷载下,随围压增加,弹性阶段应力水平数增加,泊松比增幅下降,临近破坏,变形模量和泊松比均会发生剧烈波动;累积水平能量与应力比关系曲线可分为能量加速、匀速和减速阶段;阻尼比大致先减小后增大,破坏前急剧攀升,与逐级循环下变化规律大致相似。阻尼比的变化较好的反映出页岩损伤机制,可作为预判页岩失稳破坏的重要指标。
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