实时高温作用下油页岩剪切破坏特性变化规律研究

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我国是一个典型的―富煤贫油少气‖的国家,油页岩作为非常规油气资源的重要组成部分,其大规模的开采必将缓解我国对国外石油的依赖程度,保障国家能源安全。原位注热开采油页岩油气的过程是复杂的固-流-热-传质多场耦合作用过程。随着岩层温度的升高,一方面油页岩岩体本身受热应力的作用,岩体发生大量的热破裂,从而在细观上产生复杂的孔隙裂隙演化,宏观上产生复杂的变形;另一方面,随着有机质的热解和析出,岩体逐渐由致密低渗向多孔高渗变化,进一步导致岩体内部复杂的应力场变化。这些变化一方面影响采区注入热流体和热解产物的迁移,另一方面,复杂的剪应力场的出现,是影响井筒结构有效性和稳定性的重要因素。特别是在新疆博格达山北麓的油页岩地层,呈50°到80°的急倾斜形式赋存,在进行原位开采过程中,整个热解区域势必受到复杂的剪切力作用,井筒和采场都受到剪切力作用而更难维护。因此,研究高温作用下油页岩的剪切力学特性对保证油页岩的原位开采技术的成功实施非常重要,同时对类似的非常规地质资源的原位改性开采也具有重大指导意义。本文选取新疆巴里坤的油页岩作为实验样品,采用自主研发的实时高温变角剪切特性测试系统并结合声发射设备与数字图像相关技术,对其进行实时高温作用下的变角剪切实验。研究实时高温下油页岩的剪切力学特性、剪切过程中的声发射特征参数演化以及油页岩表面的应变场演化特征,充分揭示了实时高温作用下油页岩的剪切特性。其主要结论有:(1)从剪切应力-应变曲线看出,随着温度的升高,不同层理方向的油页岩均表现为由脆性破坏向延性破坏的转化,可将400℃视为油页岩剪切特性的阈值温度。(2)同一温度下,不同层理方向的油页岩的抗剪强度随着剪切角度的增大均呈减小趋势,同时,得出不同层理方向的油页岩随温度的剪切特性表现出明显的各向异性。(3)同一剪切角度下,垂直层理方向油页岩的抗剪强度随着温度的升高先减小后增大,400℃时降至最低,较常温下降了76%;同时,其剪切模量与内聚力随温度的变化趋势与抗剪强度随温度的变化趋势相一致;垂直层理方向的油页岩的内摩擦角随温度的变化关系与内聚力呈相反趋势;其峰值剪切应变随着温度的升高整体上呈上升趋势,600℃时其峰值剪切应变较100℃增大了0.0431,涨幅约为54%;(4)同一剪切角度下,平行层理方向油页岩的抗剪强度随温度的变化趋势呈―V‖型,400℃时抗剪强度降至最低为2.93MPa。其剪切模量整体上表现为下降趋势,在100℃与500℃处发生转折;油页岩的内聚力随温度的升高呈现先减小后增大的趋势,400℃为其阈值温度点;且其内摩擦角在常温~600℃范围内发生了三次转折,转折点分别为200℃、400℃、500℃,其内摩擦角随温度的升高呈现出―W‖型趋势;对于峰值剪切应变随温度的升高经历了缓慢下降—快速升高的趋势,400℃时降至最低,600℃时上升至最大为0.1235,较常温时的涨幅为69%。(5)不同层理方向的油页岩的声发射特征表现出明显的各向异性,但其随温度的演化规律表现较为相似。常温~400℃范围内,随着温度的升高,不同层理方向油页岩的声发射特征参数逐渐密集,表明油页岩在峰值破坏前,局部破坏特征更加显著,从而造成油页岩抗剪强度在400℃前呈持续下降趋势;400℃时声发射特征表现较为稀疏,但其波动幅度较大,表明其局部失稳现象严重,导致油页岩的抗剪强度发生突降;400℃后,由于高温作用使得油页岩软化现象明显,导致声发射特征表现活跃;通过对不同温度作用后油页岩超声波测试得出,不同层理的油页岩的波速随温度的升高均表现为逐渐降低,表明温度升高使得油页岩内部孔裂隙增多。(6)常温~600℃范围内,垂直层理方向的油页岩在剪切过程中的应变场演化可以分为两个阶段,常温~400℃,油页岩表面在裂纹扩展阶段出现沿层理结构的应变局部化带,最终其应变局部化带处形成宏观裂纹并贯通,油页岩发生贯穿层理的剪切破坏;400℃~600℃范围内,油页岩的左上角与右下角部位在裂纹扩展阶段出现了应变集中区域,最终油页岩表面在其应变集中区域的边缘处产生宏观裂隙,油页岩发生非贯穿层理的压剪破坏,从而导致抗剪强度升高;平行层理方向油页岩在剪切过程中的应变场演化随着温度的升高较为相似,在裂纹扩展阶段,油页岩表面的剪切面位置处出现沿层理结构的应变局部化带,随着载荷的增加,应变局部化现象明显,最终油页岩沿着应变局部化带处发生直接剪切破坏。
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