近年来,中国经济的高速发展带来能源需求量的持续增长,能源供应和结构调整问题日益突出。我国油页岩资源储量巨大,对于缓解油气资源匮乏具有重大意义。鉴于环境和能源的平衡性需求,油页岩原位开采技术被大力研究且推广。油页岩升温热解过程中,其物理力学性质及孔隙结构特征发生变化,从而影响矿层加热速率、污染物及油气运移,以及井筒稳定性和矿区地面变形等工程问题。明确升温过程中油页岩性质特征的演化规律,预测分析开采过程中矿层温度场和位移场的分布及演化特征,对于油页岩资源原位开采的安全高效进行具有重要意义。本文以新疆巴里坤县胡兰巴斯陶北勘查区油页岩为研究对象,通过室内试验,明确了油页岩的基础物理性质,获取了升温过程中油页岩的热失重、渗透性和热物理性质参数,探究了升温过程中油页岩结构特征、孔隙特征及力学特征的演化规律。基于试验获得的参数及演化规律,利用PFC3D软件对有机质热解作用下岩样中的应力演化和起裂机制进行了模拟分析;并利用FLAC3D软件预测了电加热原位开采过程中矿层温度场和位移场的分布及演化特征。主要工作如下:(1)升温过程中油页岩热失重、渗透性、热物理性质及其各向异性特征的演化研究。试样中有机质的热解导致其失重显著,温度约为350~530℃,试样总失重约为21%;加热速率的提升会提高热解集中程度。有机质热解控制着试样渗透性和热物理性质的演化,表现为试样渗透性变化的阈值温度为400℃;升温至400℃时,试样导热系数大幅下降,其中垂直层理方向变化更为显著,其各向异性程度明显增强;高于400℃时,试样垂直层理方向的热膨胀率先剧增后趋于平缓,其各向异性程度明显增强。(2)升温过程中油页岩结构特征和孔隙特征的演化研究。通过扫描电镜试验(SEM),测试了试样平行层理面和垂直层理面的微观结构,揭示了结构的各向异性特征。高温作用下,层理面内仅发育少量的热破裂,而沿层理方向发育大规模的裂隙。利用CT扫描结果,基于三维空间重构方法获取了试样在不同温度条件下的细-宏观结构特征,温度为400~500℃时,试样中最大空隙团体积剧增,发生逾渗转变。联合低温氮气吸附试验(LTNA)和高压压汞试验(MIP)研究了试样的多尺度孔隙特征,并采用分形维数定量表征温度对孔隙结构演化的控制作用。结果表明400℃为试样孔隙特征变化的阈值温度,孔隙体积、各级别孔容特征和分形维数均发生明显变化。(3)升温过程中油页岩抗压和层理面抗剪力学特征的演化研究。结果表明在低温段,随温度升高,试样因结构无明显变化、矿物热膨胀及水分散失作用导致其抗压和抗剪力学性质小幅提升;高温条件下因有机质热解,试样中孔裂隙发育,导致其抗压和抗剪力学性质均发生劣化,并表现出屈服特征和延性破坏。同时,高温条件下层理向裂隙的发育导致试样抗压强度和弹性模量的各向异性程度增强。(4)基于PFC3D软件,建立了考虑有机质热解效应的岩体数值模型,对油页岩的起裂机制进行了模拟分析,研究了升温过程中岩体的局部应力演化、微裂隙发育及变形特征。结果表明热解油气体积膨胀的扩孔效应导致局部应力大幅集中增大,进而发育微裂隙引起应力下降波动;油气渗流过程中,扩孔作用的消散引起局部应力逐渐减小并恢复稳定。在地应力作用下,有机质热解作用和矿物热膨胀作用导致岩体模型最终呈压缩变形。(5)基于FLAC3D软件,建立了电加热原位开采工程的数值模型,考虑了升温过程中油页岩性质的演化,分析了开采过程中矿层温度场和位移场的分布和演化特征。结果表明油页岩矿层温度随加热时间呈对数型上升;矿层呈现抬升-沉陷的变形过程,最终表现为“反拱桥型”的沉陷变形,生产井附近矿层的变形量较其它位置略显著。