前　?言
頁巖氣因其儲量豐富已成為世界能源開發(fā)領(lǐng)域備受關(guān)注的焦點之一。頁巖由多種礦物組成,內(nèi)部含大量的微裂縫、微孔隙,宏觀上層理結(jié)構(gòu)特征顯著,屬于典型非均質(zhì)材料。我國頁巖氣儲層埋深大,地質(zhì)條件復(fù)雜,頁巖氣開采遇到水平井井壁易失穩(wěn)和水力壓裂效果不理想等技術(shù)瓶頸。目前,其中一個關(guān)鍵的問題則是頁巖非均質(zhì)性以及考慮地質(zhì)構(gòu)造和天然裂縫影響下所帶來的多尺度下的力學(xué)行為各向異性。針對此問題,在國家自然科學(xué)基金面上基金項目(42277167)“水化動力學(xué)過程對頁巖井壁開挖擾動細(xì)觀損傷特性影響研究”資助下,編者圍繞細(xì)觀變形損傷演化規(guī)律、宏觀破裂機(jī)理、層狀頁巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則,考慮層理和天然裂縫頁巖巖體力學(xué)參數(shù)的離散元數(shù)值模擬方法等對基礎(chǔ)巖石力學(xué)問題開展了深入研究,在總結(jié)凝練近年來取得的研究成果基礎(chǔ)上完成了本書編寫。
本書共7章。第1章介紹了研究背景及意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問題,同時概述了本書的研究內(nèi)容和方法;第2章介紹了層狀頁巖礦物微觀結(jié)構(gòu),分析了礦物顆粒朝向和分布的非均質(zhì)性,推導(dǎo)出微觀結(jié)構(gòu)的定量化表征參數(shù),內(nèi)容包括試驗方法、基本礦物特征、礦物顆粒朝向特征及空間分布的非均質(zhì)性定量化表征;第3章介紹了層狀頁巖細(xì)觀各向異性破壞過程及強(qiáng)度準(zhǔn)則,分析了單軸加載條件下層狀頁巖細(xì)觀裂紋的演化及宏觀破壞特征,討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對各向異性破壞行為的影響,建立了考慮各向異性斷裂行為的強(qiáng)度準(zhǔn)則,內(nèi)容包括試驗方法、不同深度頁巖各向異性細(xì)觀破壞過程、不同微觀結(jié)構(gòu)頁巖破壞后裂隙特征及強(qiáng)度準(zhǔn)則的各向異性修正;第4章介紹了層狀頁巖細(xì)觀各向異性變形過程,定量化分析了單軸加載條件下裂隙的細(xì)觀演化過程,討論了層狀頁巖各向異性變形場演化規(guī)律和損傷局部化機(jī)理,內(nèi)容包括數(shù)字體積圖像相關(guān)方法、裂隙演化的定量化表征和頁巖內(nèi)部各向異性變形場分析;第5章介紹了層狀頁巖宏觀各向異性斷裂和破壞行為,分析了在巴西劈裂和三點彎曲加載條件下層狀頁巖表面變形場的演化規(guī)律及損傷程度因子局部化過程,內(nèi)容包括試驗方法、巴西劈裂試件的破裂模式、三點彎曲試件的斷裂模式和位移場演化,以及損傷程度因子的定義和演化規(guī)律;第6章介紹了頁巖各向異性起裂擴(kuò)展準(zhǔn)則,在層狀頁巖宏觀斷裂行為和最大周向應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了考慮T應(yīng)力的層狀頁巖Ⅰ型裂紋沿層理面起裂和擴(kuò)展條件,內(nèi)容包括裂紋尖端應(yīng)力場的推導(dǎo)、T應(yīng)力影響下裂紋遇層理擴(kuò)展判據(jù)、Ⅰ型裂紋遇層理面擴(kuò)展規(guī)律分析和實驗驗證;第7章介紹了應(yīng)用于工程尺度的考慮層理和天然裂縫的離散元模擬方法,建立了含天然裂縫的層理頁巖巖體三維離散元模型,分析了巖體力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)以及層理面和裂隙對尺寸效應(yīng)的影響,內(nèi)容包括頁巖巖體的天然裂縫和層理特征、巖體離散元模型的建立、加載路徑設(shè)計、力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)以及層理面和裂隙共同作用對表征單元體REV的影響。
本書由李英杰、王炳乾、張亮共同編著,具體分工為:李英杰負(fù)責(zé)統(tǒng)稿和第1章、第4 ~ 7章內(nèi)容的編寫工作,王炳乾負(fù)責(zé)編寫第3章,張亮負(fù)責(zé)編寫第2章。
本書旨在為頁巖氣開采工程提供深入的理論研究和實踐指導(dǎo),希望能對相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者、工程師和決策者具有一定的參考價值。由于編者水平有限,書中難免存在不妥之處,懇請讀者批評指正。
編　　者