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在页岩气的勘探及开采过程中,钻井的稳定性、水平井井壁的安全性对于其有效开发十分重要。为了防止开采过程中出现因为岩石损伤、破裂等造成的灾难性事故,了解掌握页岩的损伤演化机制,探索可靠的岩石在线监测技术和方法具有重要的意义。本文根据岩石损伤过程中的电磁波传播特性,开展了仿真及试验研究,开发了相应的无损检测原型系统,实现了以页岩为代表的岩石损伤评估,具有一定的理论意义和工程应用价值,主要研究内容如下: 首先,介绍了岩石损伤检测技术及基于电磁波传播特性的电磁无损检测技术的发展现状;从宏观和微观的角度分别阐述了声发射检测和基于电磁波传播特性的无损检测基本原理;在甚高频段,针对页岩损伤过程中的微裂隙尺寸、数量及裂隙内填充物材料属性进行了建模与仿真。仿真结果表明,页岩模型内的微观损伤变化与宏观电磁参数有着很强的相关性。 其次,开发了基于电磁波传播特性的岩石损伤检测系统,包含硬件和软件两部分。硬件部分,主要对信号发生模块、放大模块、采集模块进行了分析和选型,重点研究了传感器线圈和信号调理电路的设计。基于虚拟仪器技术,软件系统采用LabVIEW软件开发而成,能够实现数据的采集、显示、回放等功能。 最后,基于理论分析和仿真试验,结合该套岩石损伤检测系统,通过对加载过程中的力学信号、声发射信号及电磁反射信号的同步采集,对比分析了页岩试样单轴压缩下的损伤变化情况。试验结果显示页岩损伤过程中微裂隙的数量表现出阶段性的变化特征,与电磁波的传播特性有很强的相关性,同仿真结果相一致。说明利用电磁波的传播特性对岩石损伤进行评估具有可行性。 本文为岩石损伤性能演化行为及机理的研究提供了一种可行的研究思路,为岩石损伤在线检测提供了一种新技术,为将来页岩气勘探及开采过程中可能遇到的钻井、完井等一系列复杂问题,提供了技术积累。