基于连续介质力学理论,页岩被认为是理想的线性弹性体,满足外部负载下的广义胡克定律( 37]。microunit的损伤模型建立了描述页岩损伤演化过程的热力耦合作用下,在弹性模量和抗压强度的影响。由于页岩的抗压强度远远大于其抗拉强度、外部载荷的作用下,针对摩尔-库仑准则最大拉应力准则和使用作为判断的基础元素伤害,和最大拉应力准则优先。当页岩的应力状态达到临界状态的莫尔-库仑准则,单位开始进行剪切破坏。上述两个判断失效标准表示为方程( 1)和方程( 2)[ 38]: (1) F 1 = σ 1 量 f t 0 , (2) F 2 = − σ 3 + σ 1 1 + 罪 θ 1 − 罪 θ − f c 0 ,

在哪里 F 1 和 F 2 的功能是针对摩尔-库仑准则,最大拉应力准则和分别; σ 1 和 σ 3 分别是第一和第三主应力; f t 0 和 f c 0 分别是单轴抗拉强度和单轴抗压强度; θ 是页岩的内摩擦角。

本文认为页岩的高温高压环境,包括温度场和应力场的耦合关系。通过应力场和温度场的控制方程,在外力作用下的损伤演化过程的页岩和损伤对应力场和温度场的影响。下温度场和应力场的耦合效应,微裂隙在页岩开始发芽,和页岩的破坏反过来影响弹性模量、抗压强度和导热系数的页岩。考虑热应力的影响页岩变形引起的温度场、页岩的应力-应变关系可以表示为方程( 3)[ 39]: (3) σ 我 j = 2 G ε 我 j + λ ε k k δ 我 j − β T △ T δ 我 j ,

在哪里 σ 我 j 是应力张量; ε 我 j 应变张量; G 页岩的剪切模量, G = E / 2 1 + ν ; ε v 是体积应变; δ 我 j 克罗内克函数; k 是页岩的体积弹性模量; β T 页岩的热应力系数, β T = 3 λ + 2 G α ,在那里 λ 和 α 分别拉梅常数和热膨胀系数; Δ T 的温度变化量。

页岩的导热系数与温度密切相关,反映了页岩的不均匀温度场。关于页岩微观单元的热物理性质,损坏的单位不是发起时,热导率 k 页岩是恒定的。传热系数 k T 页岩元素后拉伸损伤的计算方程( 4)[ 40]。页岩的比热容也受温度的影响。的比热容 c T 计算单元张力下的页岩根据方程( 5)[ 40]: (4) k T = k 0 − k 0 − 2.01 经验值 T − 20. T + 130年 − 1 , (5) c T = c 0 1 + ψ T 。

的公式, k 0 是热导率在0°C的温度; c 0 的比热容是页岩0°C的温度。 ψ 是影响因子,它通常是 3 × 10 − 3 。

在本文建立的数值模型,忽略热能和机械能之间的相互转换,能量守恒方程计算根据方程( 6)[ 41]: (6) ρ c ∂ T ∂ t + T 0 + T K α T ∂ ε v ∂ t = λ ∇ 2 T ,

在哪里 T 0 的初始温度是页岩; ρ 页岩的密度; c 的比热容是页岩; λ 的导热系数是页岩。

页岩往往充满了脆性矿物,如石英。因为脆性矿物颗粒和页岩的热膨胀系数矩阵不同,边界之间的热膨胀石英和页岩矩阵是不一致,导致拉伸或压缩热应力之间的结石英颗粒和页岩矩阵。图 8是损伤分布图和相应的声发射图的页岩试样在不同的温度下。声发射图,黄色代表当前步骤引起的拉伸破坏,红色代表当前步骤引起的剪切破坏,黑色代表着伤害。温度加载过程中,都有一个临界值单位热损伤之间的温度60°C和75°C。当温度小于临界值时,热应力不会导致明显的损坏页岩样品。当温度大于临界值时,当地的热应力大于页岩试样的抗拉强度,和标本出现明显的显微裂纹。从声发射图可以看出,断裂主要是拉伸断裂,和少量的剪切破坏发生在90°C。温度越高,更严重的损伤,和裂隙主要分布在石英和页岩矩阵之间的胶结。这是因为石英颗粒随机分布在页岩储层和热膨胀石英和页岩矩阵之间的界限是不协调的。

声发射数是元素伤害的弹性波信号起始和释放页岩试样在热应力下,反映试件的损伤演化过程。图 9是声发射数随温度的变化规律。温度加载过程中,随着温度的增加,声排放数量的增加迅速,和相应的热损伤更严重。页岩的热损伤演化过程划分为不破坏阶段,microdamage阶段和破坏阶段。当温度低于临界温度时,声发射数基本上是0,没有明显的损坏页岩样品。当温度到达临界温度,声学排放的数量和累积的声学排放开始出现,和页岩样品开始microdamage出现。当温度达到80°C时,迅速增加,热应力和热损伤的页岩样品快速发展。这是符合上述损伤演化过程。温度越高,越数声排放和声学排放累积数目的增加越快,说明温度越高,越严重的热损伤页岩样品。

在位移加载过程中,页岩的热力耦合效应有显著影响的抗压强度和弹性模量页岩充满石英矿物。表 2显示了页岩的强度和变形参数在实验中获得的,和图 10显示变化趋势图的页岩抗压强度和弹性模量与温度。随着温度的增加,抗拉强度页岩显示一个下降的趋势。抗压强度是最大的在30°C,它是79.79 MPa,在90°C,最低为10.15 MPa。页岩显示一个下降趋势的弹性模量随着温度的增加,最明显的改变是在60°C和75°C。最大的弹性模量是84.9的绩点在30°C,和最小的平均绩点54.88 90°C。石英矿物颗粒的热膨胀和页岩矩阵是不均匀的。温度越高,产生的热应力越大,页岩的力学性能会减弱。当温度高于临界温度时,热应力大于最大抗拉强度的页岩微观单位,和热损伤发生在样本,从而导致增加页岩的不均匀性。温度越高,更严重的微裂缝和承载力越低的页岩位移加载阶段。

图 11显示了损伤和破坏过程热力耦合下的页岩和相应的声发射图。从图可以看出,不同的温度效应有显著影响页岩的损伤演化和失效模式和失效模式大致可以分为三个类别。这是一个“V”字失败当温度是30°C, 45°C, 75°C和“M”字失败当温度是60°C。当温度为90°C,它是一个倒” λ“字失败。当温度为30°C,裂缝将启动首先左下角的标本。裂缝出现后,两端应力集中容易会发生裂缝,导致裂缝迅速传播到两端,最后,一个“V”形裂纹的形成。当温度是45°C,裂缝出现在右上角的标本的共同作用下,热应力和加载压力。连续加载,一个倒“V”形裂纹终于形成。温度是60°C时,裂缝网络在不稳定和标本的失败是最复杂的,和两个裂缝扩大下降的同时,形成一个“M”形断裂区。当温度为75°C,微裂隙首先出现在右上角,最后形成一个倒“V”形的断裂带。温度为90°C时,裂纹首先出现在左端沿着直线的标本和扩展;然后,右微裂隙出现,迅速扩展到左边,最后聚合形成一个倒“ λ”形断裂区。热力耦合作用下,温度越高,粗糙的裂缝。低温裂纹破裂区较小。高温时的破坏主要出现在破裂带的形式,表现出明显的塑性变形。上述现象的主要原因如下:一方面,石英颗粒的不均匀布置在页岩沉积过程。石英的热膨胀和页岩矩阵是截然不同的,从而导致不稳定的热应力的作用下温度。因此,热损伤发生在石英和页岩矩阵之间的边界,和页岩样品的承载力降低位移加载。另一方面,岩石内部的石英矿物颗粒和晶体进行暴力热运动的作用下温度,这是更容易microdamage。石英颗粒的强度大于页岩的矩阵,裂缝容易弯曲时通过石英,和破坏范围较大的外部载荷的作用下。

在声发射图,黄色代表当前步骤的拉伸断裂启动,红色代表当前步骤引起的剪切破坏,和黑色代表了损坏的单位。看着声发射图,可以看出,页岩标本主要tensile-shear失败。标本是不稳定和失败时的裂纹相连的拉伸损伤单元和一个震支座损伤单元。累积损伤的发展趋势microunits直接反映了页岩的macrofailure模式标本。热应力和外部压力的联合行动将导致拉伸破坏时试样的抗拉强度是第一次到达。随着加载过程达到针对摩尔-库仑强度准则的临界值时,样本单位震支座出现失败。上述结果表明,石英的异构组织填写页岩在热力耦合对其损伤演化过程产生重大影响和破坏模式。

图 12是一个图形之间的关系下的应力水平和AE能量thermal-solid耦合。从图可以看出,温度对AE能量的释放有明显的影响,和法律的能量释放同一应力水平下不同温度下是明显不同的。由于热应力的影响,在90°C,页岩样品开始时微裂纹的应力水平是10%,导致能量释放。除了压力水平为100%,释放的能量略低于60°C,和其他能量释放的压力是最大的。当温度低(30°C和45°C), AE能量释放随温度的增加,它是最小的在30°C。当温度高(60°C, 75°C, 90°C), AE能量的释放峰值应力更大。AE能量释放60°C是最大的,其次是90°C,最低是75°C。当温度低于临界温度的损失,几乎没有微裂缝在热应力的作用下页岩样品。因此,能量释放开始时低温应力水平达到60%。当温度大于破坏的临界温度,由于不同的热损失在不同的温度下,温度高,早期AE能量的释放。 At 75°C, the stress level reaches 40% and the microcrack appears and starts to release energy.

分形理论可以定量描述复杂对象世界。领域的广泛应用岩石破裂和有助于揭示岩石损伤与断裂的法则。摘要图像的分形维数计算的盒子尺寸,和分形维数的程序写在MATLAB软件平台。Binarize不同应力水平下的声发射图获得的实验,并导入计算程序获得声发射图的分形维数。公式定义如下: (8) D 年代 = − lim γ → 0 lg N γ lg γ ,

在哪里 D 年代 损伤区域的自相似分形维数; γ 边长的正方形盒子; N γ 盒子的数量需要覆盖整个图像的受损区域边长的正方形盒子吗 γ 。

表 3显示了AE能量和分形维数的值。图 13图展现出分形维数的变化趋势与应力水平下热力耦合。从图可以得出结论,在thermal-solid耦合的影响,分形维数的增加而增加的压力水平。由于不协调的石英颗粒之间的热膨胀系数和页岩矩阵在温度加载阶段,产生热应力,从而导致样品的热裂解的起始。温度越高,热裂解的更严重。当温度低于临界温度的损失,分形维数开始出现应力水平达到10%后,温度越低,后来似乎。当温度大于破坏的临界温度,分形维数开始出现在位移加载的开始。分形维数最低的在30°C,它是1.071。分形维数是最大60°C,这是1.262,和相应的故障模式是最复杂的“M”形。分形维数为1.071 ~ 1.189,和相应的故障模式是“V”形。分形维数为1.231,和相应的故障模式是倒” λ”。样品的失效模式是分形维数定量分析。分形维数在峰值应力越大,越复杂的故障模式,粗糙的裂缝,严重的内部损伤。上述内容中描述一个三维坐标系统。如图 14,我们可以清楚地看到应力水平的变化趋势,温度,和分形维度。从分形的角度,热力耦合的影响页岩的失效模式是证实。