深部地层岩石热塑性断裂模型及应用
发布时间：2021-02-25 04:24
深部地层能源开发是我国能源的重大战略需求,鉴于深部地层岩石在高温高压的地质条件下会呈现显著的热塑性特征,亟待提出深部地层岩石热塑性断裂模型,并进一步揭示岩石的热塑性断裂特征,为安全高效开发深部高温储层能源提供理论基础。本文围绕深部地层岩石热塑性断裂模型及应用开展了系统研究,包括岩石热塑性本构模型,岩石热塑性断裂模型及断裂特征,高温岩石热塑性断裂特征的测试方法,以及热塑性断裂模型在高温岩石水力裂缝扩展中的应用四个方面。针对深部储层高温致密岩石提出了热塑性本构模型。该模型考虑了静水压力、偏应力以及温度对岩石热塑性的影响,确定了与温度相关的Drucker-Prager屈服与强化条件,与温度相关的加卸载准则,应力-应变-温度本构关系。选用20～250℃Tournemire页岩的三轴压缩试验数据,确定了热塑性本构模型的模型参数,基于本构模型预测了岩石在高温高压下的力学响应特征并与试验结果对比,模型与试验的一致性达93%,证明了热塑性本构模型的有效性。基于热塑性本构模型的建模方法,将高温岩石中发生软化的断裂过程区表征为一条黏聚裂缝,建立了热塑性断裂模型。模型包含依赖于温度的屈服与软化条件,黏聚力-...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
常规能源与非常规能源分类图（数据参考王淑玲等[1]与闫存章等[2]）
第1章绪论2开发利用率，可供给美国2800年的国内消耗（以当年能耗为基准）；我国大陆地区的干热岩地热储量计2%的有效开发利用率，可供给我国4400年的国内能耗（以2012年能耗为基准）[11]。图1.2中国地热能源分布[12]及世界范围内增强型地热系统[5]的实施地点Fig.1.2GeothermalenergydistributioninChina[12]andlocationsofenhancedgeothermalsystemsintheworld[5]以页岩气[13-14]、油砂[15-16]及油页岩[17-18]为代表的非常规油气资源正逐步成为世界战略能源的重要组成部分。基于近年来非常规油气勘探与发展，我国非常规油气资源量已形成初步估计[1]：油砂油技术可采22.6×108t，页岩气技术可采21.8×1012m3，油页岩油技术可采120×108t。因而安全与有效开发非常规油气资源密切影响我国未来的能源安全与经济发展。“高温高压”是地热及深部地层非常规油气资源开发的显著地质特征。增强型地热系统中干热岩（花岗岩为主）普遍埋深为3000~10000m，热储温度介于150~650℃[19]；我国页岩气普遍埋深较深（≥3500m），其中四川页岩气埋深达到了5000~7000m，其储层温度介于120~238℃[20]，需要通过深井（≥3500m）以及超深井（≥4500m）进行页岩气开采[21-22]。对于深部地层页岩气与地热的开采，高温高压的显著地质特征会加剧深部地层岩石热塑性的发育，即热塑性是深部地层压裂改造的突出特征。以油页岩与油砂等[15-16]为主的非常规油气资源储层，油气资源的开采需对储层进行高温加热，如油页岩温度需到达约371℃才能将油页岩里的干酪根转化为可开采的油气资源[23]。在高温的作用下，岩石力学性质会发生变化，岩石“热塑性”将更为显著，进而高温条件下的储隔层岩石力学性质将影响井筒安全以及后续的储层改造效果。目前
中国石油大学（北京）博士学位论文3开采技术也是我国开采深地能源的重要挑战[1]，其中一个重要原因可推断为对深部岩石热塑性断裂认识不清。此外，为探究实际地层中水力裂缝的真实形态，2018年美国通过在德克萨斯州西部二叠系盆地水力压裂试验场，以穿过水力裂缝钻取岩心的形式揭示了真实水力裂缝形态特征[24]。研究结果表明[24]真实水力裂缝形态不符合双翼平面裂缝的常规认识，真实水力裂缝呈复杂簇状小尺寸裂缝的形态特征，表明水力裂缝扩展呈现显著的非线性断裂特征，即在水力裂缝尖端形成了大量微裂缝或次级裂缝。因而以线弹性断裂参数为基础的传统压裂模型无法充分地刻画真实水力裂缝形态及扩展规律，也无法揭示温度对水力裂缝非线性扩展的影响。深地能源开采急需采用包含温度的非线性断裂模型作为水力压裂新模型的理论基矗综上，目前有效开采深部地层能源（以地热与页岩气为主）存在一个重要难题，即“深部地层岩石热塑性断裂模型及应用”。图1.3温度对花岗岩微结构的影响[25]Fig.1.3Effectoftemperatureonmicrostructuresofgranite[25]
【参考文献】：
期刊论文
[1]深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向[J]. 汪海阁,葛云华,石林. 天然气工业. 2017(04)
[2]Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM[J]. Ingrid Tomac,Marte Gutierrez. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017(01)
[3]地热能开发利用“十三五”规划[J]. 宁波节能. 2017(01)
[4]基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究[J]. 纪维伟,潘鹏志,苗书婷,苏方声,杜梦萍. 岩土力学. 2016(08)
[5]岩石抗拉强度和断裂韧度的三点弯曲试验研究[J]. 魏炯,朱万成,李如飞,牛雷雷,王青元. 水利与建筑工程学报. 2016(03)
[6]我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战[J]. 窦斌,高辉,周刚,吴文兵. 地质科技情报. 2014(05)
[7]增强型地热系统研究综述[J]. 郭剑,陈继良,曹文炅,蒋方明. 电力建设. 2014(04)
[8]非常规能源开发利用现状及趋势[J]. 王淑玲,张炜,张桂平,孙张涛. 中国矿业. 2013(02)
[9]深井压裂特点与深井改造措施研究[J]. 姜勇. 中国石油和化工标准与质量. 2011(02)
[10]岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究[J]. 赵阳升,万志军,张渊,张宁,冯子军,董付科,武晋文,曲方. 岩石力学与工程学报. 2010(10)
本文编号：3050436
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
常规能源与非常规能源分类图（数据参考王淑玲等[1]与闫存章等[2]）
第1章绪论2开发利用率，可供给美国2800年的国内消耗（以当年能耗为基准）；我国大陆地区的干热岩地热储量计2%的有效开发利用率，可供给我国4400年的国内能耗（以2012年能耗为基准）[11]。图1.2中国地热能源分布[12]及世界范围内增强型地热系统[5]的实施地点Fig.1.2GeothermalenergydistributioninChina[12]andlocationsofenhancedgeothermalsystemsintheworld[5]以页岩气[13-14]、油砂[15-16]及油页岩[17-18]为代表的非常规油气资源正逐步成为世界战略能源的重要组成部分。基于近年来非常规油气勘探与发展，我国非常规油气资源量已形成初步估计[1]：油砂油技术可采22.6×108t，页岩气技术可采21.8×1012m3，油页岩油技术可采120×108t。因而安全与有效开发非常规油气资源密切影响我国未来的能源安全与经济发展。“高温高压”是地热及深部地层非常规油气资源开发的显著地质特征。增强型地热系统中干热岩（花岗岩为主）普遍埋深为3000~10000m，热储温度介于150~650℃[19]；我国页岩气普遍埋深较深（≥3500m），其中四川页岩气埋深达到了5000~7000m，其储层温度介于120~238℃[20]，需要通过深井（≥3500m）以及超深井（≥4500m）进行页岩气开采[21-22]。对于深部地层页岩气与地热的开采，高温高压的显著地质特征会加剧深部地层岩石热塑性的发育，即热塑性是深部地层压裂改造的突出特征。以油页岩与油砂等[15-16]为主的非常规油气资源储层，油气资源的开采需对储层进行高温加热，如油页岩温度需到达约371℃才能将油页岩里的干酪根转化为可开采的油气资源[23]。在高温的作用下，岩石力学性质会发生变化，岩石“热塑性”将更为显著，进而高温条件下的储隔层岩石力学性质将影响井筒安全以及后续的储层改造效果。目前
中国石油大学（北京）博士学位论文3开采技术也是我国开采深地能源的重要挑战[1]，其中一个重要原因可推断为对深部岩石热塑性断裂认识不清。此外，为探究实际地层中水力裂缝的真实形态，2018年美国通过在德克萨斯州西部二叠系盆地水力压裂试验场，以穿过水力裂缝钻取岩心的形式揭示了真实水力裂缝形态特征[24]。研究结果表明[24]真实水力裂缝形态不符合双翼平面裂缝的常规认识，真实水力裂缝呈复杂簇状小尺寸裂缝的形态特征，表明水力裂缝扩展呈现显著的非线性断裂特征，即在水力裂缝尖端形成了大量微裂缝或次级裂缝。因而以线弹性断裂参数为基础的传统压裂模型无法充分地刻画真实水力裂缝形态及扩展规律，也无法揭示温度对水力裂缝非线性扩展的影响。深地能源开采急需采用包含温度的非线性断裂模型作为水力压裂新模型的理论基矗综上，目前有效开采深部地层能源（以地热与页岩气为主）存在一个重要难题，即“深部地层岩石热塑性断裂模型及应用”。图1.3温度对花岗岩微结构的影响[25]Fig.1.3Effectoftemperatureonmicrostructuresofgranite[25]
【参考文献】：
期刊论文
[1]深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向[J]. 汪海阁,葛云华,石林. 天然气工业. 2017(04)
[2]Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM[J]. Ingrid Tomac,Marte Gutierrez. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017(01)
[3]地热能开发利用“十三五”规划[J]. 宁波节能. 2017(01)
[4]基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究[J]. 纪维伟,潘鹏志,苗书婷,苏方声,杜梦萍. 岩土力学. 2016(08)
[5]岩石抗拉强度和断裂韧度的三点弯曲试验研究[J]. 魏炯,朱万成,李如飞,牛雷雷,王青元. 水利与建筑工程学报. 2016(03)
[6]我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战[J]. 窦斌,高辉,周刚,吴文兵. 地质科技情报. 2014(05)
[7]增强型地热系统研究综述[J]. 郭剑,陈继良,曹文炅,蒋方明. 电力建设. 2014(04)
[8]非常规能源开发利用现状及趋势[J]. 王淑玲,张炜,张桂平,孙张涛. 中国矿业. 2013(02)
[9]深井压裂特点与深井改造措施研究[J]. 姜勇. 中国石油和化工标准与质量. 2011(02)
[10]岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究[J]. 赵阳升,万志军,张渊,张宁,冯子军,董付科,武晋文,曲方. 岩石力学与工程学报. 2010(10)
本文编号：3050436
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