页岩气藏水平井流—固耦合非线性渗流问题的理论分析及产能计算
发布时间：2020-09-25 07:28
页岩的岩石力学性能决定着储层体积压裂所形成的裂缝网络结构的复杂程度,以及页岩气生产过程中流-固耦合作用的强弱。考虑页岩孔隙-裂隙介质的变形场对页岩气渗流场的影响,可以更为深入地揭示页岩气的渗流规律,从而建立较为准确的产能预测计算模型。本研究针对页岩气藏压裂水平井流-固耦合非线性渗流问题,开展了页岩岩石力学性能的实验分析、页岩气多尺度非线性渗流理论模型的建立,以及水平井产能的数值计算等方面的系统研究,主要内容和成果如下:(1)通过巴西圆盘实验分析了页岩的抗拉强度、弹性模量和断裂韧性等岩石力学性能。首先采用弹性平面问题的复应力函数方法,获得了任意对称分布载荷作用下圆盘应力和位移的级数解。同时针对含预制裂纹圆盘,结合权函数方法给出了裂纹尖端的应力强度因子表达式。进而,以此为间接实验分析的理论基础,研究了接触压力分布形式和摩擦力作用对实验测试结果的影响。此外,考虑了页岩的初始非线性弹性效应对圆盘接触压力分布形式的影响。基于广义变分原理和载荷增量方法,计算了接触压力的分布,得到了与实验测试数据相一致的结果,指出了线性弹性和非线性弹性圆盘的接触压力分布形式特征的差异。(2)针对页岩气藏压裂水平井,分析了页岩气生产程中的流-固耦合作用机理。考虑支撑剂嵌入效应的影响,建立了考虑初始地应力、压裂缝方位和支撑剂铺置层数等因素的压裂缝网等效固有渗透率模型;考虑孔隙介质弹性变形效应的影响,给出了基质固有渗透率修正模型;考虑游离气的Fick扩散和Knudsen扩散效应,以及吸附气的表面扩散效应,建立了页岩气多尺度渗流的等效渗透率模型。数值计算分析了流-固耦合作用强弱的影响因素,以及各种非线性效应对页岩气渗流的影响。(3)基于压裂过程中的能量衰减规律,提出了适用于全流场的等效孔隙度和等效固有渗透率空间非均匀分布模型,建立了页岩气藏压裂水平井流-固耦合作用下的非均匀、非线性和非稳态三维渗流数学模型,并发展了相应的半解析-半数值计算方法。通过与文献中的实际生产数据对比,验证了本研究数学模型的适用性以及半解析-半数值计算方法的正确性。(4)数值模拟并预测了我国西南地区典型页岩气藏水平生产井的产量,计算结果与现场实际记录数据基本一致。另外,数值分析了初始地应力、支撑剂铺置层数、弹性模量、Biot系数等流-固耦合作用参数,以及Knudsen扩散、表面扩散和解吸等效应对页岩压裂水平井产量的影响。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O357.3;TE328
【部分图文】：
确定圆盘试样的力学性能至关重要。逡逑巴西圆盘最早被应用在脆性材料抗拉强度的测试中。在１９５３年，Ｃａｒｎｅｉｒｏ逡逑和Ｂａｒｃｅｌｌｏｓ１９１通过一对平行钢板对巴西圆盘进行加载，如图１－１（０所示，从而逡逑间接确定脆性材料的抗拉强度。这Ｍ采川ＨｅｒｔｚＭ给出的二维圆盘在径向对逡逑称集中载荷作用下（见阁ｌ－ｌ（Ａ））的应力解作为其理论基础。近期，Ｗａｎｇｌ１１１逡逑等通过相同的圆盘实验，Ｍ时结合声r洳馐约际酰獾昧烁飨蛞煨圆牧显阱义喜煌较蛏系目估慷取４送猓裕沃胃痔跻脖挥美炊园臀髟才蹋椋煸兀玻保义先缤迹欤欤ǎ猓┧尽Ｓ啥≡睾勺鞔ǘ捉闲。陨狭街旨釉胤绞饺菀自斐裳沂义鲜匝紫仍诩釉厍蚋浇苹担佣跋焓笛椴馐缘木取ｅ义献魑臀髟才淌笛榈摹指慕
本文编号：2826426
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O357.3;TE328
【部分图文】：
确定圆盘试样的力学性能至关重要。逡逑巴西圆盘最早被应用在脆性材料抗拉强度的测试中。在１９５３年，Ｃａｒｎｅｉｒｏ逡逑和Ｂａｒｃｅｌｌｏｓ１９１通过一对平行钢板对巴西圆盘进行加载，如图１－１（０所示，从而逡逑间接确定脆性材料的抗拉强度。这Ｍ采川ＨｅｒｔｚＭ给出的二维圆盘在径向对逡逑称集中载荷作用下（见阁ｌ－ｌ（Ａ））的应力解作为其理论基础。近期，Ｗａｎｇｌ１１１逡逑等通过相同的圆盘实验，Ｍ时结合声r洳馐约际酰獾昧烁飨蛞煨圆牧显阱义喜煌较蛏系目估慷取４送猓裕沃胃痔跻脖挥美炊园臀髟才蹋椋煸兀玻保义先缤迹欤欤ǎ猓┧尽Ｓ啥≡睾勺鞔ǘ捉闲。陨狭街旨釉胤绞饺菀自斐裳沂义鲜匝紫仍诩釉厍蚋浇苹担佣跋焓笛椴馐缘木取ｅ义献魑臀髟才淌笛榈摹指慕
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