层理倾角对富碳酸盐页岩裂缝扩展规律影响的直剪试验离散元模拟

来源：石油科学通报杂志2025年第6期北京时间：

作者：李军亮, 张奎华, 冯海风, 刘鑫金, 刘志娜, 秦峰, 陈涛, 王勇, 闫嘉杰, 苑贵亭, 于福生, 魏晓亮

单位：1 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院， 东营 257015 2 页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室， 东营 257015 3 中国石化胜利油田分公司， 东营 257000 4 中国石油大学(北京)地球科学学院， 北京 102249 5 中石化胜利油田博士后工作站， 东营 257015

摘要：本研究针对渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷沙三下-沙四上亚段富碳酸盐质页岩，结合离散元模拟与声发射监测方法，构建直剪试验数值模型，分析不同层理倾角下的裂纹扩展规律和能量演化特征，建立层理倾角、应力状态与裂缝数量的定量关系。结果表明：(1)直剪作用下，高剪应力诱发约45°雁列状张裂缝，扩展后与沿层理剪切裂隙贯通，形成宏观破裂带；随层理倾角增大，破裂带由阶梯状转为“之”字形，非均质性增强；(2)破裂机制受层理倾角控制，低角度以沿层剪切为主，高角度转为基质张-剪复合破裂；(3)起裂、损伤和峰值应力随倾角增大先升后降，在40°~50°达到最大；(4)裂纹扩展分为起裂、快速扩展(占85%以上)和慢速扩展三阶段，张裂纹占82.6%，剪裂纹占17.4%且多沿层理分布；(5)数值模拟、岩芯观察与室内试验均显示相似扩展模式，包括沿层剪裂隙和斜切或穿层张裂隙。层理倾角是控制裂缝发育的关键因素，直接影响裂缝方向、复杂程度和改造体积。研究成果为陆相页岩天然裂缝的成因与预测提供理论支持，对提升页岩油开采效率和作业安全具有重要意义。

关键词：离散元,声发射,页岩,裂纹扩展,破裂机制

基金资助：国家科技重大专项“渤海湾盆地济阳坳陷古近系陆相页岩油勘探开发技术与集成示范”(2024ZD1405100);国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U24B6002);中国石油化工集团有限公司项目(P23084);中国石油化工集团有限公司项目(P24027)