冰层钻探孔壁水力压裂数值模拟与实验研究

发布时间：2017-06-25 21:11

  本文关键词：冰层钻探孔壁水力压裂数值模拟与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在极地冰层钻探工程中,为防止孔壁应力释放后冰的蠕变引起的缩径问题,维持孔内应力平衡的低温钻井液是必不可少的。但是由于种种工程设计和施工问题,钻井液柱压力常常在局部超过孔壁原地应力,甚至造成压力差过大引发孔壁水力压裂现象,钻井液大量流失,且导致孔壁失稳、埋钻等各种问题和事故,因此研究冰层钻探孔内液柱作用下的孔壁起裂压力和裂缝扩展情况,具有重要的科学意义和工程适用价值。长期以来,人们对岩石层、煤层钻孔孔壁的水力压裂问题已经有相当的研究,而对冰层钻孔孔壁水力压裂尚无系统研究,而冰的低强度、极大的温度效应、蠕变以及晶体特性,使水力压裂研究从岩石向冰的延伸困难重重。但是水力压裂问题的研究离不开传统的“三步走”思路:理论推导、数值模拟和实验验证。从力学模型、起裂准则的理论探讨,到数值模拟的水力压裂过程,最后在实验中验证和探讨水力压裂的起裂和裂缝扩展,利用三相对比分析来寻找可靠的起裂准则和计算方程,实现对实际工程的参数指导。本文针对冰层钻探孔壁水力压裂问题,从冰层特性和理论公式、数值模拟和实验探索三个方面进行研究,探讨水力压裂起裂压力与钻孔深度的关系,以及主要裂缝的扩展趋势。理论上梳理岩石水力压裂研究的主要内容和研究要素,总结其理论发展过程及研究结论。结合冰盖结构与冰的物理力学性质,根据平面应变问题力学模型和最大拉应变强度准则建立冰层钻探孔壁水力起裂压力理论计算方程,并变换为起裂压力——深度曲线方程。利用MATLAB软件编制水力压裂起裂判断程序,以及孔壁附近应力、应变分布和孔壁应变——孔内液柱压力关系的计算程序,以此计算应力、应变的连续分布。使用RFPA-2D渗流版(真实破裂过程模拟程序)模拟不同围压即不同深度水力压裂,得到相应的起裂压力值,和裂缝形态图,同时获取起裂压力——深度趋势线,与理论方程对比分析。利用改造的油页岩水力压裂实验系统,对冻结制取的冰样进行水力压裂实验,分析主要裂缝的发育规律,得出对应数值模拟各围压的水力压裂压力曲线并处理得出起裂压力值,多次实验取平均,根据各点平均起裂压力得出实验起裂压力——深度趋势线,与数值模拟、理论方程三相对比分析,给出指导具体冰层状况的各深度起裂压力预测方程。
【关键词】：冰层钻探 水力压裂 起裂压力 预测
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 选题背景及依据12-15
• 1.1.1 冰盖概述12-13
• 1.1.2 冰层钻探的意义13-14
• 1.1.3 冰层钻探的难题14-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.3 本文的研究内容和技术路线18-20
• 1.3.1 本文的研究内容18-20
• 1.3.2 技术路线20
• 1.4 本章小结20-21
• 第2章 冰层钻探孔壁水力压裂理论研究21-41
• 2.1 水力压裂基本理论概述21-29
• 2.1.1 起裂压力研究21-26
• 2.1.2 水力压裂裂缝扩展数学模型的研究26-27
• 2.1.3 地应力及其对水力压裂的影响27-29
• 2.2 冰盖构造及冰盖冰物理力学性质29-33
• 2.2.1 冰盖形成与构造30-31
• 2.2.2 冰盖冰物理力学性质31-33
• 2.3 冰层钻探孔内力学分析与描述33-37
• 2.3.1 冰层钻探孔内钻井液状态33-35
• 2.3.2 冰层应力35-37
• 2.3.3 孔壁压力差37
• 2.4 基于最大拉应变强度理论的破裂准则37-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 冰层钻探孔壁水力压裂计算程序和数值模拟41-61
• 3.1 冰层钻探孔壁水力压裂MATLAB计算程序41-50
• 3.1.1 MATLAB程序系统41
• 3.1.2 孔壁附近应力状态41-45
• 3.1.3 MATLAB计算程序45-50
• 3.2 基于RFPA-2D渗流版的水力压裂数值模拟50-59
• 3.2.1 软件简介50-52
• 3.2.2 数值模拟条件52-53
• 3.2.3 不同深度破裂压力数值模拟53-59
• 3.3 本章小结59-61
• 第4章 冰层钻探孔壁水力压裂模拟实验61-77
• 4.1 水力压裂实验系统61-64
• 4.1.1 实验系统组成61-63
• 4.1.2 实验系统的功能实现63-64
• 4.2 冰样水力压裂实验64-75
• 4.2.1 实验方案和流程64-66
• 4.2.2 实验内容66
• 4.2.3 实验数据处理和结果分析66-75
• 4.3 本章小结75-77
• 第5章 结论与展望77-80
• 5.1 结论77-78
• 5.2 展望78-80
• 参考文献80-85
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果85-86
• 致谢86

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本文编号：483557