页岩弹脆性损伤本构模型研究.doc

页岩弹脆性损伤本构模型研究页岩气是当前勘探开发的重点,而页岩储层是典型的致密储层,大多需要经过压裂改造才能有效开发,所以研究以本构关系为代表的页岩力学性质,从而为其损伤演化提供理论依据,具有十分重要的意义。本文以鄂尔多斯盆地南部长7储层页岩为研究对象,运用X射线衍射试验和氩离子抛光—电镜扫描试验,综合分析了页岩的矿物组分和孔隙裂缝结构,结合文献调研和Comsol有限元软件研究了页岩在外载荷下的破坏机理;运用单轴和SHPB冲击试验,研究了页岩试件在静载和动载下的力学响应特性,并结合试验数据计算出页岩发生损伤时的阈值应力;基于朱—王—唐粘弹性本构,结合损伤微元服从Weibull分布的损伤变量,对方程进行修正,并最终得到了能够描述页岩在动载下力学性质的本构方程。研究结果表明:页岩中的微裂缝和微孔隙在加载时出现应力集中现象,是页岩中最容易受到破坏的结构;页岩中的脆性矿物在加载时比延性矿物更容易受到破坏;使用黄铜片整形器以及确定适当的试件尺寸,使冲击试验达到了恒应变率加载;通过对试验中页岩试件的动态性能分析,发现峰值应力和应变率呈线性关系,页岩的动态强度随着冲击速度的增大而提高,说明页岩是应变率敏感材料;通过与页岩静态抗压强度作对比,得出本次冲击试验中页岩的强度增强系数在2.456到2.975之间;运用损伤冻结试验测量页岩的损伤值,通过对页岩损伤和峰值应力的关系进行拟合,建立了损伤与峰值应力之间的定量表达式,并得出发生损伤的阈值应力为28.65MPa,对应的阈值应变率为32.19s^-1;根据页岩受力响应性质和SHPB应变率范围,对朱—王—唐方程进行修正,结合所测损伤阈值建立分段页岩本构方程,并与一维弹脆性模型进行对比,结果表明修正后的朱—王—唐模型更能反映页岩损伤时的应力应变关系,能够准确描述页岩的峰前动态力学性能。