岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 2579-2592.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1465

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

实时高温富有机质页岩变角剪切力学特性及应变场演化研究

王磊1,张睿1,杨栋1,康志勤1,张鹏宇1, 2   

  1. 1. 太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室,山西 太原 030024;2. 太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 晋中 030600
  • 收稿日期:2022-09-21 接受日期:2023-02-12 出版日期:2023-09-11 发布日期:2023-09-02
  • 通讯作者: 杨栋,男,1970年生,博士,教授,主要从事多孔介质多场耦合的研究。E-mail: yangdong@tyut.edu.cn E-mail: leiwang0327@163.com
  • 作者简介:王磊,男,1992年生,博士,副研究员,主要从事原位改性采矿技术的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No.52104144;No.51974191);国家重点研发计划项目(No.2019YFA0705501);山西省基础研究项目(No.20210302124136)。

Mechanical properties and strain field evolution of organic-rich shale with variable angle shear at real-time high-temperature

WANG Lei1, ZHANG Rui1, YANG Dong1, KANG Zhi-qin1, ZHANG Peng-yu1, 2   

  1. 1. Key Laboratory of In-situ Property Improving Mining of Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. School of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong, Shanxi 030600, China
  • Received:2022-09-21 Accepted:2023-02-12 Online:2023-09-11 Published:2023-09-02
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52104144, 51974191), the National Key R&D Program of China (2019YFA0705501) and the Basic Research Program of Shanxi Province (20210302124136).

摘要: 原位注热开采富有机质页岩是复杂的固流热化学耦合过程,矿层热解过程中采场和井筒均受到剪切力作用,而高温作用后与实时高温作用下页岩的力学响应规律是截然不同的。为了研究实时高温作用下页岩剪切力学特性和变形演变规律,设计了实时高温岩石变角剪切试验系统,结合声发射和数字图像相关技术,对不同温度和剪切角度下页岩的抗剪强度和变形场分布特征进行了深入研究。研究结果显示:首先,随着温度的升高,页岩表现出由脆性破坏向延性破坏的转化,而抗剪强度随着剪切角度的增大呈减小趋势;然后,页岩的抗剪强度随温度的升高呈现“V”字形变化趋势,400 ℃ 后其抗剪强度降至最低(2.93 MPa),可将该温度点视为页岩剪切特性的阈值温度;当温度超过400 ℃时,页岩内部矿物晶格的转变使得其抗剪强度继续增大;最后,常温~600 ℃范围内页岩在剪切过程中的应变场演化可以分为两个阶段:常温~400 ℃,页岩在剪切破坏时沿层理结构形成一条明显的应变局部化带,沿着该局部化带发生直接剪切破坏;400~600 ℃范围内,页岩表现出明显的应变软化特征,沿各层理间发生相互“错位剪切”,不再以沿层理结构直接发生剪切破坏,表现为渐进剪切破坏特征。

关键词: 实时高温, 变角剪切, 抗剪强度, 数字图像, 变形场

Abstract: In situ mining organic-rich shale by heat injection is a complex solid fluid thermochemical coupling process. The stope and wellbore are subjected to shear stress during the orebody pyrolysis. However, the mechanical response of shale after temperature action is completely different from that under real-time high temperature action. In order to study the shear mechanical properties and deformation evolution law of shale under real-time high temperature, a real-time high-temperature rock variable angle shear test system is designed. By combining acoustic emission and digital image correlation technology, the shear strength and deformation field distribution characteristics of shale under different temperatures and shear angles are thoroughly investigated. The results show that: (1) With the increase of temperature, shale shows a transformation from brittle failure to ductile failure, and the shear strength decreases as the shear angle increases. (2) The shear strength of shale changes in a “V” shape with the increase of temperature. The shear strength of shale decreases to the lowest (2.93 MPa) at 400 ℃, which can be regarded as the threshold temperature of shale shear properties. When the temperature exceeds 400 ℃, the shear strength of shale continues to increase due to the transformation of mineral lattice inside. (3) The evolution of the strain field of shale in the shear process at room temperature −600 ℃ can be divided into two stages. At room temperature−400 ℃, the shale will form an obvious strain localization zone along the bedding structure during shear failure and undergo direct shear failure along the localization zone. In the range of 400−600 ℃, the shale shows obvious strain softening characteristics, and mutual “stagger shear” occurs along the bedding, instead of shear failure directly along the bedding structure, it shows progressive shear failure characteristics.

Key words: real-time high temperature, variable angle shear, shear strength, digital image, deformation field

中图分类号: 

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