进入十四五规划以来,我国国民经济飞速发展,伴随着能源需求与日俱增的同时,能源需求与供给之间的结构性矛盾也日益凸显。我国油页岩资源储量极其丰富,如果能够实现页岩油、气的大规模工业化生产,则可以有效缓解我国能源紧张的局面,在2030年碳达峰的大背景下,油页岩原位转化技术已经成为开发和利用我国油页岩资源的必由之路。在油页岩原位转化过程中不仅会产生由于升温热解而引起的热损伤,还会产生由原地应力与孔隙压力相耦合等因素引起的额外机械损伤,并且油页岩还具备一般页岩的沉积层理构造,这会造成热解后油页岩孔隙结构和物理力学性质的各向异性,这些因素共同作用会改变原位转化过程中储层温度场,应力场和渗流场的耦合关系,进而影响储层位移场的分布特征。 本文以国家重点研发计划“油页岩原位开采机理及实现方法”为依托,以新疆巴里坤油页岩为研究对象,融合微-细-宏观孔隙结构观测技术与多种物理力学实验方法,揭示升温热解过程中油页岩孔隙结构的各向异性特征导致的物理力学性质的各向异性特征,并基于此构建油页岩原位转化本构模型,然后将其嵌入COMSOL软件中模拟研究区采用对流加热原位转化技术时油页岩储层各物理场的演化规律。主要结论如下: (1)高压压汞实验结果表明400℃后油页岩内部形成新的微孔,500℃时孔隙体积大幅增加且主要以中孔和大孔为主,继续升温孔隙体积和连通性有部分增加。扫描电子显微镜实验结果表明随着热解的持续进行,热破裂现象导致微裂隙的数量和张开度有所增加,此时垂直剖面表现出显著的裂隙网络发育特性,而平行剖面则显示为高度密实的构造形态,两者在组构特征上形成鲜明对比,表明油页岩的孔隙结构具有显著的各向异性。三维重构后的CT图像结果表明油页岩样品在400-500℃温阶内,有机质集中热解主导空隙团生成与三维连通,500-600℃温阶则通过热破裂效应实现孔隙网络连通性跃升。 (2)升温热解过程中油页岩孔隙结构的各向异性特征导致了物理力学性质的各向异性特征。油页岩的渗透率随温度升高而增大,热解开始前渗透率几乎趋近于0,400℃后由于有机质集中热解,渗透率开始飞跃式增长;矿物沿层理方向的特殊排列方式使得k_par>>k_ver,因此其各向异性系数η_k显著高于常规值。油页岩的导热系数随温度升高而减小,且300℃后λ_par的减小幅度更大,η_λ在600℃时达到最大值2.58。油页岩的抗压强度和弹性模量都随温度升高先小幅增大然后快速下降最后趋于稳定,η_σ和η_E在500℃时都达到最大值7.10和2.87。 (3)300℃后油页岩呈现出明显的损伤特征,结合统计损伤力学和岩石破坏准则构建损伤变量D₁;以各向异性孔隙结构和力学特性为基础,结合断裂力学与分形理论构建损伤变量D₂与完整的本构模型。将本构模型嵌入COMSOL软件中,结果显示原位转化开始后储层顶部垂直位移呈现出为先膨胀后收缩的趋势,最终位移-6.5cm。 (4)构建了结合各向异性热力学损伤与横观各向同性本构模型的油页岩对流加热T-H-M耦合方程,并将其与研究区实际工矿相结合进行数值模拟,得到以下结论:1)加热区呈椭球状向四周扩散,并在高温区边缘形成了快速降温带,加热第585天整个岩层达到目标温度;2)储层渗透率的分布具有显著的各向异性,且随温度的变化息息相关;3)孔隙率快速增大造成孔隙压力相对减小,进而影响高温流体的渗流速度并改变渗流场的分布;4)加热过程中油页岩储层顶部的垂直位移变化分为四个阶段:快速上升期、短时快速下降期、转换期和持续下降期,其中最大膨胀位移0.056m,第585天位移为-0.012m,最大压缩位移-0.081m,累计位移量0.137m。