川南龍馬溪組頁巖脆性破壞特徵研究獲進展

2020-12-06 中國科學院

　　近年來，面對著巨大的油氣缺口，積極進行頁巖氣勘探開發的相關研究顯得十分必要。我國四川盆地頁巖氣儲量豐富，對比分析美國典型頁巖氣盆地地質特徵，一些專家認為四川盆地下志留統龍馬溪組頁巖具有較好的頁巖氣生烴潛力。然而，由於頁巖具有緻密、低孔隙度、低滲透率的特點，頁巖氣一直難以得到高效的勘探和開發。水力壓裂技術是頁巖氣開發的有效手段，通過液壓碎裂增加儲層宏觀滲透率，從而達到頁巖氣增產目的。1985年起，水力壓裂開始廣泛應用於頁巖氣的開採，但壓裂過程中裂縫的擴展規律及裂縫動態擴展的監測與控制仍是研究難點。國內外專家學者一致認為，頁巖氣高效開採必須重視頁巖的破裂和損傷演化機制研究。

　　基於以上科學問題，中國科學院武漢巖土力學研究所基於室內試驗和數值模擬，研究了川南龍馬溪組頁巖不同應力條件下的脆性破壞特徵。巖土力學與工程國家重點實驗室首先對龍馬溪組頁巖進行單軸壓縮試驗，獲取巖石基本力學參數及聲發射活動特徵(圖1a)。隨後基於離散單元法建立數值模型，通過研究不同破壞階段聲發射與巖石細觀破裂的對應關係，驗證所建模型的合理性（圖1b）。最後，利用該模型模擬不同圍壓下的三軸壓縮試驗，研究龍馬溪組頁巖在不同應力條件下的脆性破壞形式和特徵應力的變化規律。

　　研究結果表明，該龍馬溪組頁巖脆性礦物含量高，強度大，脆性特徵明顯。在不同應力條件下該龍馬溪組頁巖發生脆性破壞時具有相似的破壞特徵，且峰值強度符合Mohr-Coulomb線性規律。當加載到巖石損傷應力以前，微裂紋的分布無明顯方向性和區域性，該微裂紋的分布應與巖石的非均質性有關；損傷應力後微裂紋的萌生、聚集和貫通將受應力影響(圖2)。頁巖的特徵應力(起裂應力、損傷應力、峰值強度)與圍壓表現出強相關性，但圍壓對峰值應力的影響程度比對損傷應力和起裂應力的影響程度更大(圖3)。該結果是由於在裂紋穩定擴展階段，微裂紋獨立產生無相互影響，而峰值應力還需考慮微裂紋間的相互作用及形成的宏觀破裂面粗糙性的影響。該基礎性研究結果可為頁巖氣開發過程中動態監測及開發方案制定提供一定參考依據。

　　該研究相關成果發表於《巖土力學》，第一作者為武漢巖土所博士申海萌，通訊作者為武漢巖土所研究員李琦。該研究成果得到國家自然科學基金面上項目(No. 41274111)資助。

　　論文連結

 

圖1 頁巖單軸壓縮室內試驗結果(a)及數值模擬結果(b) 

 

圖2 巖石單軸壓縮破壞過程微裂紋分布及微裂紋增長曲線 

 

圖3 不同應力條件巖石特徵應力 

　　近年來，面對著巨大的油氣缺口，積極進行頁巖氣勘探開發的相關研究顯得十分必要。我國四川盆地頁巖氣儲量豐富，對比分析美國典型頁巖氣盆地地質特徵，一些專家認為四川盆地下志留統龍馬溪組頁巖具有較好的頁巖氣生烴潛力。然而，由於頁巖具有緻密、低孔隙度、低滲透率的特點，頁巖氣一直難以得到高效的勘探和開發。水力壓裂技術是頁巖氣開發的有效手段，通過液壓碎裂增加儲層宏觀滲透率，從而達到頁巖氣增產目的。1985年起，水力壓裂開始廣泛應用於頁巖氣的開採，但壓裂過程中裂縫的擴展規律及裂縫動態擴展的監測與控制仍是研究難點。國內外專家學者一致認為，頁巖氣高效開採必須重視頁巖的破裂和損傷演化機制研究。
　　基於以上科學問題，中國科學院武漢巖土力學研究所基於室內試驗和數值模擬，研究了川南龍馬溪組頁巖不同應力條件下的脆性破壞特徵。巖土力學與工程國家重點實驗室首先對龍馬溪組頁巖進行單軸壓縮試驗，獲取巖石基本力學參數及聲發射活動特徵(圖1a)。隨後基於離散單元法建立數值模型，通過研究不同破壞階段聲發射與巖石細觀破裂的對應關係，驗證所建模型的合理性（圖1b）。最後，利用該模型模擬不同圍壓下的三軸壓縮試驗，研究龍馬溪組頁巖在不同應力條件下的脆性破壞形式和特徵應力的變化規律。
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　　該研究相關成果發表於《巖土力學》，第一作者為武漢巖土所博士申海萌，通訊作者為武漢巖土所研究員李琦。該研究成果得到國家自然科學基金面上項目(No. 41274111)資助。
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圖1 頁巖單軸壓縮室內試驗結果(a)及數值模擬結果(b) 
 
圖2 巖石單軸壓縮破壞過程微裂紋分布及微裂紋增長曲線 
 
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