Technical Papers and Presentations

随着天然气需求的不断增加，页岩气作为一种重要的非常规能源，对于国家能源安全和经济发展具有重要意义。然而，页岩气的有效开采受限于对其储层微观力学特性的深入了解，宏观尺度很难获得页岩各组分的力学性质。因此，我们才用纳米压痕技术来研究页岩微观尺度下的细观力学特性，并基于X射线衍射（XRD）、自动矿物分析系统（TIMA）等先进技术分析，建立微观尺度下的固体变形-气体流动控制模型，分析评估微观产气影响机理，主要研究工作如下： （1）采用纳米压痕实验技术，对页岩进行了不同加载角度下的保持荷载实验以获得页岩微观尺度下的力学参数，如杨氏模量、硬度以及蠕变。使用基于高斯混合模型的聚类分析方法，提出了结合XRD测试结果的页岩矿物强度分类方法，建立页岩微观力学参数与矿物各组分之间联系。 （2）通过TIMA技术，详细分析了页岩样品的矿物组成及其空间分布特征。采用Mori-Tanaka方法结合矿物微观尺度形状因子对实验结果进行尺度升级，得到宏观尺度下的弹性模量，并对比宏观三轴实验结果。利用不同加载角度下的力学参数，分析微观尺度下的矿物各向异性，并于宏观各向异性比进行分析，验证尺度对力学参数的影响。 （3）分析对比了不同蠕变本构模型对页岩微观蠕变特性的描述，探讨分析了蠕变模量与杨氏模量与硬度之间的联系，基于蠕变本构模型推导计算了蠕变柔度与杨氏模量的关系。采用自洽方法对微观蠕变模量进行尺度升级，并于三轴实验蠕变模量进行对比，建立了微观蠕变模量与宏观蠕变模量之间的联系。 （4）基于微观力学参数特性和矿物组成分析结果，构建描述页岩气体微观流动与蠕变行为的数学模型，通过现场数据验证模型，并揭示产气不同边界条件下的气体产出对矿物渗透率及扩散系数的影响，探讨蠕变对产气过程中具体影响机理。