摘要
全球范围CO2的排放量持续增加，全球变暖问题愈演愈烈，碳中和成为全球热点词汇。深部咸水层是目前最具发展前景的CO2地质封存场所之一。常作为深部咸水层盖层的页岩地层通常处于高地应力、高盐度的环境，而且页岩地层具有多种层理面产状。盖层页岩的稳定性和完整性对深部咸水层封存CO2至关重要。基于此，本文以理想盖层页岩为研究对象，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，研究了盐水环境和层理倾角对页岩力学行为的影响，以期对保证深部咸水层CO2封存工程的安全性提供理论参考，主要研究内容和结论如下： （1）对不同盐水饱和页岩试样开展常规三轴压缩试验，研究了盐水类型、盐水浓度对页岩三轴强度和变形特性的影响，并结合微观手段，确定了盐水对页岩的损伤破坏机理。5%NaCl溶液饱和对页岩试样力学参数的劣化影响最大，其次是5%K2SO4溶液。高浓度NaCl溶液对页岩试样力学特性具有回升作用，回升幅度随着NaCl浓度的增高而增大。盐水通过沿页岩层理面分布的层理缝、微孔隙以及水化产生的微裂纹侵入页岩试样内部以实现对页岩力学特性的损伤。 （2）基于能量平衡的脆性指标，评估了不同盐水环境下页岩的脆性程度；开展了盐水饱和页岩试样压缩-渗透耦合试验，分析了盐水饱和页岩试样在加载全过程中的渗透率演化规律。饱和页岩的脆性程度在低浓度盐水中明显下降，在高浓度盐水中显著增加。试样渗透率在峰前基本无变化，在峰后出现大幅度增长。 （3）对不同层理倾角的干燥和饱和页岩开展常规三轴压缩试验，研究了三种环境下不同层理倾角页岩的力学特性，分析了盐水环境对页岩各向异性力学特征的影响。干燥页岩的峰值强度满足两边高而中间低的“U”型特征。饱和页岩表现出更明显的各向异性力学特征。5%NaCl溶液使得层理倾角为0°的页岩试样产生了高连通性的层理面，从而导致该试样力学特性劣化严重。 （4）基于干燥、纯水和5%NaCl溶液三种环境下各层理倾角页岩的室内试验结果，采用PFC3D离散元软件，借鉴力学等效的思想，构建了三种环境下页岩试样的数值模型，开展了三种环境下页岩力学特性的模拟研究，分析了页岩试样微裂纹演化过程和破坏后的位移场特征。层理倾角决定了试样主破裂面与层理面的关系。验证了盐水环境弱化了试样层理面力学性质后试样更容易沿着层理面发生破坏的结论。
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