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(diǎn)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(xiàng)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(shí)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)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(yàn)方法、巴西劈裂試件的破裂模式、三點(diǎn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)、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(shí)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(jià)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