人类进入21世纪以来对能源的需求与日俱增,随着勘探的不断深入,埋藏较浅的常规油气资源在今后一两个世纪面临着消耗殆尽的可能,开采埋藏较深的低渗透非常规油气资源也就成为了能源行业新的研究热点。尤其是常规石油、天然气匮乏的国家,寻求非常规油气资源迫在眉睫。页岩气具有资源量大、分布广的特点,据美国能源信息署(EIA)报告,全球已探明的页岩气可采资源达到了187.5万亿立方米,美国页岩气的可采量约为24.4万亿立方米,而中国主要盆地的页岩气可采量约为26万亿立方米,可采资源量位居世界第一。1821年,随着美国纽约州第一口页岩气井成功钻井,1921年到1975年逐步实现了工业化开采,上世纪90年代以来,美国页岩气产量逐年递增,预计到2035年,美国页岩气产量占天然气总产量的49%。北美地区页岩气的成功开采为世界范围内其他寻求非常规资源的国家树立了信心。然而,中国与美国的页岩储层地质条件存在着较大差异,美国页岩气开采的主要对象为海相沉积岩,而中国陆相沉积岩中页岩气储量丰富,并且中国海相页岩热成熟度高、断层发育,陆相沉积岩热成熟度低、埋藏较深。中国页岩气的勘探和开采处于起步阶段,制定符合中国地质资源特点的开采方案,未来实现长期稳定的工业开采必将振兴中国的能源行业。页岩气以三种状态赋存于有机质页岩中:页岩裂隙和孔隙中的游离态、干酪根和黏土结构表面的吸附态以及沥青质中的溶解态,其中游离态存在的页岩气比重为20%~85%。页岩为致密岩层,具有低渗透特性,孔隙率通常小于10%。页岩的矿物组成决定其力学性能,脆性矿物(如方解石、石英和长石等)含量较高的页岩具有较强的脆性,压裂时较易形成复杂的缝网,与天然裂缝的贯通有利于页岩气的流动,提高压裂产能。而黏土矿物含量较高的岩层塑性较强,压裂时不易产生复杂的裂隙网络,压裂产能不高。储层页岩的埋深深度平均在地表以下6000英尺(约合1829米),储层受到埋深、地应力和温度等的影响,使得作业开采的技术难度增大,成本增加。其中,地应力条件影响着压裂的起裂压力和压裂过程裂缝面的展布形态,水平地应力差较小的地层容易产生交错缝网,易于页岩气的输运和开采。了解地应力和岩石力学性质对压裂起裂和裂缝扩展的影响对合理开发页岩气资源、提高开采效率具有重要意义。页岩储层的低渗透性影响着油气资源的采收率,必须依靠对储层的压裂来进行增产。水力压裂是低渗透储层增产的主要手段之一,在非常规资源的开采中有着广泛的应用,美国页岩气井大约有90%都是采用水力压裂的增产作业方式,与水平井钻井相结合,大大提高了单井采收率。水力压裂增产的原理是沿最大主应力方向产生贯通储层的裂缝,形成输运通道,达到增产目的。为了解决水力压裂作业中存在的理论和技术难题,国内外学者对水力压裂的起裂和扩展问题进行了大量的研究。理论研究上,基于平面应变原理建立的pkn和kgd裂缝扩展模型、拟三维p3d模型、平面三维模型pl3d被应用到压裂问题中。但上述理论模型均假设岩层是均匀、连续和各向同性体,且仅限于平面内的裂缝扩展,无法分析裂缝面的偏转。压裂实验上,人们主要通过宏观三轴实验展开研究。blair等采用在水泥中预埋砂岩的方法,观察了压裂液的渗透路径。ito和kayashi获得了裂缝宽度与岩石孔隙水压力之间的关系。wu等设计了不同的射孔排布方式,发现裂纹扩展方向受最小主应力方向影响。athavale等采用水泥包裹岩石的方法,发现均质岩石的裂缝呈翼状分布,非均质岩石的裂缝形状复杂。数值方法上,包括位移不连续法(ddm)、扩展有限元法(xfem)、离散元法(dem)和边界元法(bem)等。位移不连续法假设裂纹扩展为平面应变问题,以断裂韧度、杨氏模量和泊松比为基本输入参数。扩展有限元方法,采用积分法计算应力强度因子,并以周向应力理论为判定准则。nagel等利用离散元平台udec/3dec,分析了层状页岩压裂的破坏和裂缝分布。olson等运用边界元方法,分析了天然裂缝和水平主应力差对压裂的影响。另外,损伤变量、无单元法(efm)、非连续变形分析(dda)和颗粒流(pfc)在压裂模拟中也有着一定的应用。因此,针对页岩的物理力学性质和压裂起裂和裂缝扩展,以及固体材料变形破坏断裂参数的表征等,本文开展了如下研究,并获得了一些有意义的结论:一、储层页岩物理力学性质研究:1)针对山东胜利油田地层深度3300~3500米处页岩,通过12组岩心的孔隙率、渗透率测试,得到了孔隙率为1%~6.2%,渗透率在1.23?10-3~8.60?10-3md范围变化,为典型的致密低渗透储层。2)应用x射线衍射技术,对五个不同地层深度处页岩的矿物成分分析。结果显示石英、方解石、白云石和钠长石是页岩脆性矿物主要组成部分,脆性矿物含量越高,越容易形成复杂的缝网有利于页岩气的开采,勘探时应选择脆性矿物含量高的储层压裂。3)利用单轴试验测取了页岩强度、弹性模量和泊松比等参数,同一层位的岩心具有各向异性的力学性质,力学参数的测取为建立页岩横观各向同性本构模型提供了依据。4)三轴试验测取了不同地层深度处页岩的抗压强度、内摩擦角和粘聚力,工程中应选择内摩擦角大且粘聚力小的储层进行压裂,易形成复杂缝网,提高压裂效率。5)采用人字形切槽三点弯曲圆棒试验测得了页岩的断裂韧性,该值的测定为分析页岩压裂的起裂提供了判据。二、基于所测页岩力学参数,引入横观各向同性本构方程,利用有限元方法结合断裂力学理论,研究了射孔参数和地应力条件对压裂裂缝起裂和扩展的影响:1)射孔方向与水平最大主应力的夹角从0°增大到90°,起裂压力逐渐增大,射孔方向与水平最大主应力方向一致为最佳射孔方向。2)当射孔方向与最大水平应力呈一定角度时,裂缝面逐渐向最大水平应力方向扭转,尖端i、ii型应力强度因子同时增大,表现出裂缝面的拉剪状态。3)线性布孔、对称布孔和交错布孔对起裂压力影响不大,其中交错布孔的起裂压力最小。4)射孔密度的增大导致起裂压力下降,大于4孔/米时,起裂压力趋于稳定,考虑到预置射孔套管的成本,合理的射孔密度为4-6孔/米。5)射孔直径的增大导致起裂压力减小,当直径增加到30mm时,起裂压力变化不大,限于技术手段和成本,射孔直径30mm为最佳。6)射孔深度的增加,起裂压力下降但变化幅度不大,射孔深度对起裂压力的影响较小。7)不同地应力条件下,起裂位置随水平应力比的增大而上升,起裂压力随水平应力比的增大而减小,裂缝面沿水平最大主应力方向扩展,应力集中区域随着裂缝面尖端而移动并有增大趋势,应力强度因子先增大后减小,反映了压裂过程能量先积聚后释放的过程。三、水力压裂数值分析表明,裂纹尖端为应力集中区域,断裂的发生是由于该区域应力强度应子超过了断裂韧性,为了从实验的角度探究裂纹前缘应力场是如何影响断裂,本文通过3d打印技术制备了光弹性模型,利用应力场可视化方法,研究了应力驱动下的裂缝起裂和扩展过程:1)3d打印制备的模型无残余应力,断裂后无塑性残余应力,表现为弹脆性破坏特征,保证了基于弹性断裂理论开展应力场分析的有效性。2)组成的光弹性实验系统,包括高速摄像系统、光弹性测试分析镜、准静态便携式加载装置和脉冲激光(半高宽为220ns),能捕捉到质量较高的动态条纹图像。3)裂纹扩展过程,应力集中区域随着裂尖而移动,裂尖较大的集中应力导致了材料的开裂和扩展,与页岩水力压裂数值结果一致。4)裂纹扩展速度与尖端最大应力的变化趋势一致,反映了裂尖附近应力场控制着裂纹扩展的表观现象,是驱动裂纹扩展的本质影响因素。5)对径压缩过程,应力强度因子增大反应了能量的积聚,而起裂后应力强度因子随着裂纹向两端面受压区扩展而逐渐减小,又反映了断裂过程能量的逐步释放。6)基于断裂理论的数值分析与光弹性实验结果计算所得的应力场大小一致,相互验证了实验方法和数值分析方法计算断裂过程应力场的准确性。四、三维模型断裂过程应力场的探索:1)借助于3d打印技术制备了含有初始梭形裂纹模型,通过应力冻结实验获得了裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段的三维断裂模型,满足了不同裂纹扩展阶段模型中应力场捕捉的实验要求。2)运用相移法和matlab自编程序,解决了光弹性切片相位图转化成全场应力分布的难题。3)裂缝萌生阶段和裂缝扩展阶段,应力集中区域位于初始梭形裂纹短轴圆周处,且向四周递减,反映了材料破坏正是由于初始裂缝处的较大的应力集中造成的,而断裂之后裂缝尖端较小的应力场与裂纹止裂相吻合,可为判断复杂结构的起裂区域和止裂提供依据。4)断裂力学数值分析应力场与光弹实验结果一致,相互验证了数值方法和实验结果的有效性。裂纹萌生和扩展阶段,尖端应力强度因子的先增大后减小反映了开裂过程中裂尖能量的积聚和释放,为研究材料变形破坏的机制提供了参考和方法。