真三轴应力条件下页岩力学特性及渗透机理研究

发布时间：2025-05-08 05:56

　　本论文以重庆市石柱土家族自治县龙马溪组黑色页岩为研究对象,运用了实验研究、数据与理论分析和数值模拟等方法,系统性地开展了真三轴应力条件下页岩力学特性及渗透机理研究。首先完成了一系列页岩基础物理力学性质实验;然后利用“多功能真三轴流固耦合实验系统”实验装置,进行了真三轴应力条件下不同中间主应力、不同层理方向的加卸载渗流实验和不同中主应力系数、不同气体压力梯度的加载渗流实验;最后利用以有限单元法为基础的多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics^?,对真三轴应力条件下中间主应力ζ₂加载路径下的页岩流固耦合进行了数值模拟。综合以上实验研究可得到以下主要结论:（1）该页岩的单轴抗压强度（UCS）为98.33 MPa。在氮气吸附法孔隙实验中,页岩属于IV型等温线、H3型滞后环,BET比表面积为9.92 m²/g。该页岩平均孔径为16.84 nm,且具有纳米级孔隙分布范围广,非均一性强的特点。在压汞法孔隙实验中,该页岩纳米级孔隙发育,孔径主要分布在10～220 nm之间。试件中10～100nm孔隙占比约为60%;101～...

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响研究现状
        1.2.2 应力与压力梯度对页岩力学和渗透特性的影响研究现状
        1.2.3 页岩渗流有限元分析研究现状
    1.3 论文主要研究内容及技术路线
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 技术路线
2 实验系统与页岩物理力学性质
    2.1 概述
    2.2 实验系统
    2.3 页岩物理力学性质
        2.3.1 页岩试件样品与制备
        2.3.2 页岩单轴抗压强度
        2.3.3 氮气吸附法页岩孔隙实验
        2.3.4 压汞法页岩孔径分布实验
    2.4 本章小结
3 中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响
    3.1 概述
    3.2 实验方案
    3.3 实验结果与分析
        3.3.1 页岩变形与渗透特性分析
        3.3.2 页岩渗透率对中间主应力的敏感性分析
        3.3.3 页岩在中间主应力加卸载过程中的损伤分析
    3.4 本章小结
4 中主应力系数与压力梯度对页岩力学和渗透特性的影响
    4.1 概述
    4.2 实验方案
    4.3 实验结果与分析
        4.3.1 中主应力系数对页岩渗透率的影响
        4.3.2 页岩渗透率应力敏感性分析
    4.4 本章小结
5 基于COMSOL的页岩流固耦合有限元分析
    5.1 概述
    5.2 COMSOLMultiphysics?有限元仿真软件
    5.3 控制方程
        5.3.1 达西渗流控制方程
        5.3.2 页岩变形平衡方程
        5.3.3 基于有效应力的页岩渗透率模型
    5.4 页岩流固耦合数值模拟
        5.4.1 数值模型的建立
        5.4.2 模型定解条件与物性参数
        5.4.3 数值模拟结果与验证
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 本文的研究成果及结论
    6.2 主要创新点
    6.3 后续研究工作及展望
致谢
参考文献
附录
    A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文
    B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目
    C.作者在攻读硕士学位期间获得的奖励



本文编号：4044428