热力耦合作用下油页岩损伤与断裂力学行为研究

发布时间：2018-02-09 20:34

本文关键词： 油页岩热-力耦合热物理试验断裂力学损伤力学数值模拟　出处：《太原理工大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：油页岩，作为一种非常规油气资源，其固体骨架中含有有机物干酪根，受热分解后，能够得到页岩油和混合烃类气体产物，进而为许多行业提供能源，并有望缓解石油消耗压力。随着油页岩地面开发利用方式所暴露出的环境污染、资源浪费等问题日益严重，油页岩的原位地下转化技术势必将成为未来对其开发利用的新方式。油页岩原位转化过程分为以压裂为主的储层改造和油气开采两方面，本文主要针对第一方面开展工作。油页岩属于层理发育沉积岩，层理之间多含水分、气体和其他矿物杂质，造成其垂直层理与平行层理方向的力学、热学特性存在较大差异，并且压裂的过程是一个考虑热力相互耦合的损伤与断裂力学问题，所以，深入分析油页岩在多场耦合条件下的损伤与断裂力学行为，可以对未来实际开展油页岩原位转化技术提供理论与应用参考。本文主要研究内容及结论如下： (1)温度-应力耦合条件下的本构关系研究。将原位压裂油页岩的问题简化为平面正交各向异性问题，研究在应力-温度耦合条件下该问题的本构关系，发现这一关系比空间各向同性问题复杂，进而，结合现有通用有限元求解程序，可进行油页岩断裂力学的数值模拟。 (2)油页岩热物理特性试验研究。利用热膨胀系数测试仪和导热系数测试仪，在25℃~300℃范围内，测试油页岩沿平行层理方向及垂直层理方向的导热性能与热膨胀性能随温度的变化规律，并结合已有油页岩高温热解孔裂隙演化规律及失重试验，近似拟合出300℃~600℃范围内油页岩热学参数随温度的变化规律。结果表明，由于油页岩本身结构的各向异性，导致不同方向热物理性能差异较大，得到的热物理参数随温度的函数变化规律用于断裂与损伤数值计算。 (3)油页岩热力损伤数值分析。利用FLAC3D建立标准试件模型，并利用FORTRAN语言编写了单元材料特性服从Weibull随机分布通用程序，使模型中的单元属性呈概率化分布，以体现岩石非均质特征。对试件的应力、位移分布规律、温度以及升温速率随时间变化规律等进行分析，并计算损伤度。结果表明，受约束的试件在温度单独作用下便会产生热应力，并且，在温度-应力耦合作用下油页岩的损伤呈现各向异性，，将得到的损伤信息用于断裂力学数值计算。 (4)断裂力学数值计算：单一裂缝扩展数值分析。编写ANSYS程序及(3)中提及的单元特性随机分布通用程序建立非均质平面正交各向异性的油页岩数值模型，在温度-应力耦合作用下，对原位压裂油页岩过程中岩层的起裂、裂缝扩展规律进行研究。以张开型裂缝应力强度因子KI作为表征参数，分析了开裂压力的动态变化规律，并且分析了随着裂缝扩展，含裂缝油页岩矿层的断裂力学特征，数值模型裂纹尖端的应力、应变、位移等分布特性与断裂力学解析结果比较吻合。 (5)多条裂缝扩展的相互影响分析。引进“位移压缩荷载”概念，定性地浅析了多裂缝分段压裂时的裂缝之间干扰特征，定义无量纲“扰动因子”和“互扰因子”概念，定量地分析了多裂缝的相互影响性质以及影响程度，结果表明：多裂缝之间的相互影响均表现出抑制裂缝扩展的作用，并且该影响与裂缝间距紧密相关，不同位置裂缝之间相互的影响强度并不相同，据此，从减小裂缝扩展抑制强度的角度考虑，可以得出分层段最优化油页岩矿层压裂顺序方案。本文研究结果对原位压裂油页岩开采油、气产物技术的实施与发展、以及对油页岩层断裂-损伤力学行为的初步认识具有一定理论意义与参考价值。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE662.3

【参考文献】