不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究①

李涛涛，左宇军，孙文吉斌，刘 镐，席仕军，史开文

（贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025）

天然岩体是由多种裂隙所割裂的岩石组成［1］。随着非常规页岩气的工业化开采，对影响岩层改造技术效果的研究也日渐深入。在载荷作用下，裂隙尖端容易产生应力集中，当应力强度因子达到岩石断裂韧度时，裂纹发生扩展、贯通［2］，有助于提高页岩的岩层改造效果，使储藏在其内部的气藏解析。众多国内外学者对含缺陷岩石的裂纹起裂、扩展规律及断裂模式进行了研究，取得了许多成果［3－6］。

黔北下寒武统牛蹄塘组页岩呈黑色，表面没有明显裂隙缺陷，主要矿物组成为石英、黏土矿物和碳酸盐矿物且夹杂少量黄铁矿，黏土矿物组分主要有伊利石、伊-蒙混层矿物，碳酸盐矿物主要成分是方解石、白云石［6－7］。鉴定为成气条件较好、易于开采的页岩气藏储层。本文通过RFPA2D-flow对多倾角单裂纹的黔北下寒武统牛蹄塘组页岩进行数值模拟，探究裂纹角度对其力学行为的影响，及水力压裂过程中的损伤特征与破坏模式，对页岩气开采过程具有一定借鉴意义。

1 裂隙岩体的力学模型

岩石多数处于多向受压的力学环境中，需要建立压剪状态下的力学模型［8］。图1为长度2a的中心倾斜裂纹的单裂纹模型。其中σ1为轴向压力，σ3为围压，β为裂纹与垂直方向夹角。

图1 压剪状态下单裂纹扩展力学模型

2 数值模型的建立

RFPA2D-Flow软件使用的有限元网格采用四节点等参数设置，并嵌入基于弹性损伤的细观单元体本构关系。……