研究损伤演化过程和分形的热力耦合下Quartz-Filled页岩

文摘

充填等脆性矿物石英的主要影响因素之一的起始和传播在页岩压裂储层裂缝,为了探索失效模式和quartz-filled页岩在热力耦合的热损伤特征。结合损伤力学和热弹性力学理论,RFPA^二维热是用于建立一个数学模型,可以反映下页岩的损伤演化thermal-solid耦合,并进行热力耦合下的压缩试验。试验结果表明,在温度加载过程中,有一个温度临界值之间60°C和75°C。当温度低于临界温度时,试样单位没有出现明显的损害。当温度高于临界温度时,样本单位将经历明显的热损伤,并且温度越高,越严重开裂。页岩的热力耦合下,抗拉强度和弹性模量的页岩显示下降趋势随着温度的增加。页岩thermal-solid耦合下的失效模式大致可以分为三个类别:“V”形失败(30°C, 45°C, 75°C),“M”形失败(60°C),和倒”λ”形失败(90°C)。分形维数越大,越复杂的故障模式标本。最大的分形维数为1.262时,温度是60°C,和相应的故障模式是最复杂的“M”形。分形维数在1.071和1.189之间,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”形状。

1。介绍

与石油等传统能源的快速消耗,非常规页岩气等清洁能源已成为当前的研究重点1- - - - - -5]。页岩气是指天然气资源的形式存在于页岩储层吸附和分离在地质构造的演化。它广泛分布的特点,许多发达层,和大存储容量6- - - - - -9]。据预测,我国页岩气可采可以达到 米³,居世界第一10,11]。页岩矩阵具有小孔隙喉咙的特点和极低的渗透率。超过90%的页岩气页岩储层压裂井需要接受他们可以直接投入生产之前12- - - - - -14]。对页岩气的研究在我国起步较晚。如何实现大规模开发页岩气具有重要战略意义的升级我的国家的能源结构和绿色和可持续发展。

页岩储层的压裂使用高压流体破坏岩体形成复杂裂缝网络与高渗透率根据江et al。15]。因为页岩气储层在高围压和高温的环境中,在压裂过程中,页岩开采涉及的相互耦合应力场和温度场。因此,页岩热损伤问题是目前国内外学者的热门话题。孟et al。16)进行了三轴压缩试验对页岩样品的温度25 - 120°C之间的不同研究温度和页岩峰值强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角之间的关系。马斯里et al。17)进行了三轴压缩试验对页岩在不同的温度下,发现页岩的失败弹性模量和抗压强度显著降低随着温度的增加,但页岩的整体可变形性增加。Mohamadi et al。18)进行了一系列的三轴测试页岩在不同温度和详细讨论了温度对页岩强度的影响。Jha et al。19)进行了单轴压缩试验和抗拉强度测试在不同的温度下从常温到900°C并详细研究了高温对物理和力学性能的影响和页岩的单轴抗压强度。Rybacki et al。20.)与不同温度下进行了蠕变测试页岩(50 ~ 200°C)和不同围压(50 ~ 200 MPa)研究温度、围压对蠕变的影响特征。王等人。21)进行多级蠕变测试页岩样品在不同温度和围压温度的影响,研究围压,precrack页岩蠕变特征。郭et al。22)进行了单轴压缩试验和声发射测试页岩样品在不同温度和不同层理面倾斜角度的影响研究温度对页岩的物理和机械性能。杨et al。23)进行了动态压缩试验在页岩标本20 ~ 220°C的温度范围,研究了页岩在不同温度下的力学性能,并分析了页岩的动态变形和破坏过程。

分形理论在描述复杂的具有独特的优势和不规则的对象,它提供了一个新的理论依据岩石破裂的演化过程。谢(24结合分形几何与岩石损伤力学和提议,岩石的破坏过程具有分形特征。声发射现象引起的瞬时弹性波局部能量的快速释放的岩石。声发射可以反映岩体的性质和状态的变化在一定程度上。通过声发射参数的变化规律的分析,我们可以理解,岩体受使用声发射的自相似性的特点,进一步利用分形理论来分析岩体的破坏过程。元,李25]分析了声发射空间分布的分形维数在岩石损伤和失败之间的关系,建立了压力和能量释放和声发射分形维数的空间分布。谢et al。26)用一盒尺寸计算声发射空间分布的分形维数之间的关系,研究岩石破坏声发射分形维数。Zhang et al。27]分析了分形维数的空间分布产生的声发射巴西分割测试,发现分形维数可以反映岩石裂纹的起始和扩张。卢et al。28]分析了声发射的空间分布特征不同的层理页岩在流体机械耦合数值模拟实验。发现声发射的空间分布的分形维数可以反映出床上用品页岩的失效模式的影响。

页岩是一种脆性岩石运输和沉积过程中形成的地质构造演化。页岩中充满了大量的矿物颗粒。在温度的作用下,矿物颗粒的形状和内容产生重大影响的宏观和微机械性能和断裂模式页岩(29日- - - - - -32]。尽管有许多研究页岩在不同温度下的力学性能,他们主要集中在宏观尺度方面,比如床上用品效果,不同围压和蠕变的研究。很少有报道quartz-containing矿物微机械性能和失效模式的温度下页岩。因此,数值模拟实验进行页岩的微尺度上研究热机耦合在抗压强度的影响,失败的过程,和页岩的失效模式。测试结果有重要参考价值的断裂起始和传播机制在页岩储层压裂改造。

本文使用统计方法来描述石英和页岩矩阵的异质性。通过RFPA^二维热软件,页岩进行数值模拟试验在恒定围压和不同温度条件下,抗压强度、弹性模量和破坏过程的详细研究了页岩在不同温度条件下。计算声发射分形维数的分布地图,分析分形维数之间的关系,并在不同温度条件下的失效模式。研究结果将为断裂机理有重要的参考价值,二次裂纹萌生和传播预测,提高石油复苏页岩压裂。

2。区域地质特征

贵州是我的国家的石油和天然气储存基地。区域构造单元划分为长江quasi-platform。丘陵盆地之间,地形高在西部和东部低,下降从中心到北部,东部和南部。根据表面结构的分布,变质岩和结构组合形式风格的面积和其他结构特点。研究区主要经历了四个构造周期在地质构造的演化过程:五菱构造运动,Caledonian-Xuefeng构造运动、燕山构造运动和喜马拉雅构造运动。其中,燕山期期是最强烈的构造运动,这是当前地形的主要原因。喜马拉雅期叠加和改变了结构形成于燕山期(33]。下寒武统牛蹄塘组页岩气储层主要是位于Niutitang形成,这也是最广泛的开发底层在贵州,如图1。

岩石和矿物特征的研究是一个重要的因素需要考虑在页岩气的勘探和开发。在页岩脆性矿物含量越高,越有可能产生裂缝构造应力的作用下或水力压裂,为页岩气提供存储空间和渗流通道。可以看出,页岩中充满了大量的石英薄切片识别。识别过程和结果如图2。一般来说,页岩粘土矿物含量越低,脆性矿物含量越高,如石英、长石、方解石、岩石脆性越强,就越容易形成天然裂缝和人工裂缝在构造应力场或人工压裂(35,36]。研究区页岩矿物成分是复杂和多样化,其中粘土矿物和脆性矿物的主要组件是页岩。本文主要以较低的黑色页岩寒武纪Niutitang形成Fenggang III区为研究对象。进行X射线衍射定量分析、粘土矿物分析、仪器模型X 'pert粉。x射线衍射分析如图3。分析结果表明,石英含量在35.79%和92.49%之间,平均62.09%的内容。斜长石的含量为0 - 28.94%,平均为12.32%。粘土矿物含量为0 - 29.15%,平均为7.64%。它还包含少量的黄铁矿等矿物方解石,钾长石,和铁白云石、平均含量为7.50%,3.99%,3.24%,和2.96%,分别为(图4)。随着埋藏深度的增加,石英含量逐渐增加,而斜长石和黄铁矿含量逐渐减少。除了几部分在中间,粘土矿物的含量相对较高,整体逐渐减少(图5)。

页岩储层低渗的特点和微纳孔发展。这个低渗透性和微孔率特性有重要影响的内容和存储页岩气。气藏的主要存储空间,页岩微孔隙确定页岩气藏的富集程度。一般来说,越发达的裂隙和孔隙页岩,流量越高,气藏的富裕。摘要放松的核磁共振(NMR)技术用于描述页岩的孔隙结构。实验仪器模型mesomr23 - 060 h - i。五组样本的选择研究区域进行检测和分析。结果表明,较低的寒武纪页岩的孔隙喉Fenggang第三块主要是纳米孔,分布在0到0.1之间μm。页岩主要是纳米孔的毛孔,毛孔都集中在0.001μm - 0.01μm和0.01 - -0.4μ米,还有几微米大小的孔。孔隙大小分布如图6。

3所示。页岩微观单位的热力耦合模型

3.1。页岩微观单位的热损伤理论

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]:

在哪里和的功能是针对摩尔-库仑准则,最大拉应力准则和分别;和分别是第一和第三主应力;和分别是单轴抗拉强度和单轴抗压强度;是页岩的内摩擦角。

3.2。页岩热力耦合关系

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]:

在哪里是应力张量;应变张量;页岩的剪切模量, ; 是体积应变;克罗内克函数;是页岩的体积弹性模量;页岩的热应力系数, ,在哪里和分别拉梅常数和热膨胀系数;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,热导率页岩是恒定的。传热系数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。的比热容计算单元张力下的页岩根据方程(5)[40]:

的公式,是热导率在0°C的温度;的比热容是页岩0°C的温度。是影响因子,它通常是 。

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]:

在哪里的初始温度是页岩;页岩的密度;的比热容是页岩;的导热系数是页岩。

4所示。数值模拟

RFPA^二维热是基于有限元理论和统计损伤理论。考虑到岩石的非均匀性,我们简化了复杂macro-nonlinear问题变成fine-to-microlinear问题并结合随机分布的不均匀性假设的数值计算方法。非均匀岩石破裂过程的数值模拟可以实现(42]。页岩模型离散成mesoprimitives组成的数值模型。假定的力学性能离散microprimitives服从威布尔的统计分布规律,从而建立微观力学性能之间的关系,macromedium [43]:

的公式,机械性能的统计分布密度吗页岩的原语。的力学性能参数是页岩元素;的平均值是页岩的力学性能参数元素;是属性参数的分布函数,它反映了页岩的一致性和均匀系数的定义为页岩。

为了研究温度对页岩的力学性能和失效模式,本文采用RFPA^二维热软件建立数值模型,在不同的温度下进行仿真测试。在数值模型中,矿物粒子的弹性模量越大,颜色越亮,可以用来描述石英矿物粒子和页岩矩阵。根据物理实验中,石英矿物的机械参数和热力学参数和页岩矩阵模型如表所示1(44]。

这个实验建立quartz-filled页岩在不同的温度下的数值模型。在模型中石英含量是62.09%。页岩孔隙大多是纳米孔和少量的小型化毛孔。这个测试不考虑页岩原生孔隙的影响。加载模型如图7。在加载过程中,固定围压的10 MPa应用第一,然后,加载温度。当温度达到30°C, 45°C, 60°C, 75°C, 90°C,停止加热。温度加载一步一步,增量是5°C /步骤。温度达到一定值后,然后进行位移荷载和位移加载速率为0.0005毫米/步骤。

5。结果分析

5.1。页岩的热损伤演化特征

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。

5.2。热力耦合下页岩强度的变化规律

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。

5.3。Thermal-Solid耦合的影响页岩的破坏过程

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。

5.4。分形特征的页岩Thermal-Solid耦合下损伤演化过程

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:

在哪里损伤区域的自相似分形维数;边长的正方形盒子;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 。

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。

6。结论

页岩往往充满了石英矿物,石英颗粒和页岩矩阵之间的热膨胀差异是一个重要的影响因素下的岩石断裂热力耦合。本文建立thermal-solid耦合模型来研究温度对力学性能的影响和损伤演化过程quartz-filled页岩,并总结了以下规则:

(1)石英Niutitang内容形成页岩III区Fenggang 35.79% ~ 92.49%,平均62.09%的内容。随着埋藏深度的增加,整体石英含量逐渐增加。页岩孔隙喉咙主要是纳米孔分布在0到0.1之间μm。页岩毛孔都集中在0.001μ米~ 0.01μm和0.01 ~ 0.4μ米,主要是纳米孔,用几微米大小的孔

(2)温度的影响有重大影响的热损伤页岩充满了大量的石英。热损伤的演化过程可分为nondamage阶段,microdamage阶段和破坏阶段。有一个临界温度的值。当温度高于临界温度时,样本单位将经历明显的热裂解。温度越高,越严重开裂。热机耦合效应有显著的抗压强度和弹性模量影响页岩充满石英矿物。随着温度的增加,抗拉强度和弹性模量的页岩显示一个下降的趋势

(3)温度对损伤演化有重要影响和失效模式下的页岩thermo-solid耦合。失效模式大致可以分为三个类别。当温度为30°C, 45°C, 75°C,它是一个“V”字失败;当温度是60°C,它是一个“M”字失败;当温度为90°C,它是一个倒”λ“字失败。温度越高,粗糙的断裂。高温时的破坏主要出现在形式的破裂区有明显的塑性变形

(4)使用声发射的空间分布的自相似性,我们定量分析热力耦合的影响页岩的失效模式标本基于分形理论。分形维数越大,越复杂的故障模式标本和更严重的内部损伤。温度是60°C时,分形维数是最大的,这是1.262,和相应的故障模式是最复杂的“M”形。分形维数在1.071和1.189之间,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形状”。

数据可用性

用来支持研究中可用的数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的人才引进专项资金的项目贵州省水资源科学和技术部门(项目号KT201804),贵州研究生创新基金(项目号YJSCXJH[2020] 087号)、贵州科技基金项目没有。[2020]4 y046,项目没有。[2019]1075年,项目没有。[2018]1107号),国家自然科学基金(项目号。51964007和51964007),和项目科研项目的贵阳轨道交通2号线一期项目(项目号D2 (I) fw - yj - 2019 - 001 wt)。本研究也由贵州大学教学改革项目(项目号JG201990)和贵州矿山动力灾害预警和控制技术创新人才团队项目(项目号[2019]5619)。

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