近表面水力压裂裂缝扩展的模拟试验及仿真分析研究

发布时间：2020-07-30 03:29

【摘要】：水力压裂是利用流体的压力抬升岩土体并形成断裂裂缝的过程。近些年来,临近自由表面的近表面水力压裂技术的应用前景也逐渐引起了众多相关学者的兴趣。近表面水力压裂技术不仅在水平井分段压裂过程中控制压裂效果,防治地下浅层污染,在矿洞内预先诱导可控制的崩塌来增加产量并保护矿洞整体稳定等方面有着重要的作用。其对于由深成岩所形成岩盖的生成,火山喷发等自然界中的物理现象的解释也有着重要的分析价值。而到目前为止,国外学者对于近表面水力压裂技术的应用已经进行了十数年而国内对于该技术所进行的相关研究还非常的少。本文将采用使用近表面水力压裂模型试验以及采用有限元(ABAQUS)软件中的cohesive模块进行数值模拟的方法对压裂液注入速度以及压裂液粘度等多种原因对裂缝形态等所造成的影响进行研究。本文在吸收了国际上公认的将近表面水力压裂裂缝下表面模型化为刚性板,上表面模型化为弹性薄膜的理论,在借鉴了国外近表面水力压裂试验的经验的基础上改进后搭建的近表面水力压裂试验台进行室内模型试验,在模型试验中通过控制变量的方法,改变压裂液的注入速度以及压裂液的粘度等条件,观察并记录各种情况下近表面裂缝扩展的形态和趋势的区别后进行分析。除此之外,本文还借助搭建的试验台进行了鼓包试验用以测算薄膜的剥离强度。应用有限元ABAQUS软件的cohesive单元进行水力压裂的仿真数值模拟,同样通过改变数值模拟中的压裂液的排量以及压裂液粘度对应室内试验中改变压裂液注入速度以及压裂液粘度的方式对室内模型试验结果进行验证。本文利用室内试验与数值模拟相结合的方法,验证压裂液的注入速度以及压裂液的粘度等因素对于裂缝扩展及其形态的影响,当压裂液粘度较大时,会形成短而宽的裂缝;当压裂液的粘度较小时,会形成窄而长的裂缝。对近表面水力压裂在实际应用者有一定的指导作用。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE377;O346.1
【图文】：

中国地质大学（北京）硕士学位论文第1章 绪论.1 研究背景及目的.1.1 研究背景水力压裂是一种由于液压抬高而在岩体或土体中引起裂缝产生与扩展的。自从人们发现此类现象以来，其一直是众多领域的研究热点。在水平井进段压裂时会形成近似的近表面水力压裂效应。而对于其分段压裂时对裂缝的等影响因素的研究同样对水力压裂的效果有明显的影响。

第 1 章 绪论偏向于近表面。此外，在异常坚硬的地层中水平生长的裂缝可以利用类似于临近自由表面的水力压裂做用形式与软弱底层（例如煤层）进行相互作用。此项技术也正在被开发利用于通过向地下注入城市废物垃圾来储存垃圾以及处理石油钻井作业中的岩石碎屑。近表面水力压裂的应用所形成的裂缝可能是巨大的，因此需要进行相关的研究来最小化形成的压裂裂缝与地球本身裂缝产生相互作用而造成的风险。

图 1-2 水力压裂处理来诱导顶部发生崩塌的示意图于超出工业利用范畴的近表面水力压裂技术的应用，其中一项为近轴火山现象的形成机制所进行的研究。火山喷发口距离真点相距几公里的现象。有相关研究学者提出，地下岩浆从软弱弱层内流动来驱使裂缝扩展，这种裂缝会逐渐发生偏折并最终形成火山喷发现象。

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