基于CT试验的黔北凤冈地区牛蹄塘组含方解石脉页岩的力学行为研究

邬忠虎; 孟祥瑞; 蓝宝锋; 刘敬寿; 巩磊; 杨玉翰

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.6.15

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5) : 117 -129. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.15

页岩储层裂缝研究

基于CT试验的黔北凤冈地区牛蹄塘组含方解石脉页岩的力学行为研究

邬忠虎 ¹ ,
孟祥瑞 ¹ ,
蓝宝锋 ²^,³ ,
刘敬寿 ⁴^,⁵^,⁶ ,
巩磊 ⁷^,⁸ ,
杨玉翰 ¹

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Mechanical behavior of calcite vein-bearing shale of the Niutitang Formation in Fenggang area, northern Guizhou based on CT tests

Zhonghu WU ¹ ,
Xiangrui MENG ¹ ,
Baofeng LAN ²^,³ ,
Jingshou LIU ⁴^,⁵^,⁶ ,
Lei GONG ⁷^,⁸ ,
Yuhan YANG ¹

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摘要

通过黔北地区牛蹄塘组页岩的岩心观察显示,方解石脉作为天然裂缝的充填物,并在很大程度上影响着页岩的破坏模式,研究含方解石脉页岩的破坏特性对水力压裂过程中裂缝的起裂、扩展行为的预测与工程设计有重要意义。为揭示方解石脉对页岩力学特性和破裂特征的影响,进行0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°7种倾角的单轴压缩和声发射试验,并结合CT扫描技术、有限元计算,构建了三维细观数值模型,讨论不同角度方解石脉对页岩的细观破坏过程和力学性能的影响,分析页岩微裂纹的时空演化规律。结果表明:(1)不同方解石脉角度页岩的声发射和应力-应变曲线形态变化基本相同,均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段等4个阶段,各阶段区分明显,特征强度的变化曲线整体呈“U”形,变化程度不断加快,θ为75°时为最低值;(2)方解石脉显著影响页岩的破坏模式,随着角度的提高,由劈裂破坏转变为劈裂型剪切破坏再到剪切滑移破坏,最终变为劈裂张拉破坏;(3)重构的三维模型和物理试验的表现较为一致,并且能够观察到页岩内部和表面裂纹扩展与贯通过程,声发射的空间分布反映了不同阶段下的压缩、张拉和剪切破坏的单元类型,从微观角度揭示了含方解石页岩的破裂机制;(4)页岩的宏观力学特征同时受方解石和基质的影响,体现了明显的各向异性特征,方解石角度越高,对滑移导向作用越强,试件的力学性能越弱。