类岩石材料水力裂缝扩展试验与数值模拟研究
发布时间：2021-06-08 22:52
我国的非常规油气储层岩层致密、孔隙度和渗透率极低,开采难度大,严重制约着我国非常规油气的生产,水力压裂技术作为一种增产技术工艺,成为了提升我国油气资源利用效率的重要手段,然而现有水力裂缝扩展机理研究尚滞后于实际工程应用,因此有必要针对水力裂缝扩展行为展开进一步研究。本文以水力压裂技术的工程应用为背景,以理论分析为依据、模型试验为基础、数值分析为手段,针对常规水力压裂与循环水力压裂两种压裂技术,分别从定性与定量的角度,研究了水力压裂过程中水力裂缝的起裂与扩展行为,主要工作如下:（1）开展了常规水力压裂室内模型试验,发现试件破坏时仅出现一条水力裂缝,裂缝扩展方向垂直于最小主应力方向,而预置裂纹的存在会降低试块的破裂水压力,当预置裂纹倾角增加,破裂压力有下降的趋势,而裂纹起裂方向与最小主应力方向垂直度随之增加。（2）开展了循环水力压裂室内模型试验,发现试块上表面出现多条裂纹,上层出现剥落现象,但是主裂纹只有一条,扩展方向垂直于最小主应力方向,同时预置裂纹的存在会影响水力裂缝的扩展方向以及偏转路径。（3）基于线弹性断裂力学相关理论,建立了水力压裂扩展有限元数值计算模型,结合该模型提出了一种依据...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１研宂内容技术路线??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ?ｒｏａｄｍａｐ?ｆｏｒ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｃｏｎｔｅｎｔ??
?山东大学硕士学位论文???第二章水力压裂室内模拟试验??２．１试件的制备??本文研宄天然裂缝在水压作用下的起裂与扩展，采用水泥砂浆制作试块模拟??岩石材料，便于确定天然裂隙的数量和位置。试验材料由水泥、砂子和水配制而??成，配合比为１：?３：?０．６（质量比），其中水泥采用强度为３２．５ＭＰａ的矿渣硅酸盐??水泥、砂子采用粒径小于１．２５ｍｍ的混合砂。??试验中所有试件均采用１５０ｍｍｘｌ５０ｍｍｘｌ５０ｍｍ立方体模具制备，分为无预??制裂隙的立方体试件与含有预置裂纹的立方体试件。对于无预置裂纹的试件，制??备时首先将水泥、砂子和水通过搅拌机混合均匀，随后将水泥砂浆倒入四壁涂有??凡士林的塑料立方体摸具；对于含有预置裂纹的试件，采用穿线法在模具内制作??预置裂纹，如图２．１所示，通过调整穿线的位置来改变预置裂纹的角度。为防止??水压在注射时穿透裂隙，采用ＰＶＣ材料制成２０ｍｍｘ２〇ｍｍ的正方形裂隙，厚度??为０．２ｍｍ，并涂抹凡士林。模具制作完毕后，将搅拌均匀的水泥砂浆倒入涂有凡??士林的模具。??图２．１模具图??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｍｏｕｌｄ??将浇筑完成后的试件放置在振动台上振动１５ｍｉｎ，充分密实并抹平表面。待??试块初凝后（室温下约１５ｈ）将其从模具中取出，如图２．２所示，放入养护箱内??进行养护（温度２０±１．５°Ｃ，湿度９５％），养护时长为２８ｄ，养护完成后置于室温??１０??
?山东大学硕士学位论文???下进行干燥处理。??ｍｍ??图２．２试块初凝??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｃｏｎｃｒｅｔｅ?ｔｅｓｔ?ｂｌｏｃｋ?ａｔ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｓｅｔｔｉｎｇ??试验中采用长度为６５ｍｍ，外径１０ｍｍ，内径９ｍｍ的钢管模拟井筒。在养护??好的试块上表面中心处（对角线交点），用台钻钻取深度为７０ｍｍ，直径为１２ｍｍ??的圆柱形孔洞，将钢管与试件的孔洞通过高强度结构胶粘结，保证井筒上端与试??件上表面平齐，在井筒下方预留５ｍｍ的裸井段，便于将水压注入预置裂纹，如??图２．３所示。??丨?＇卜１??图２．３井筒、预置裂纹位置示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｗｅｌｌｂｏｒｅ?ａｎｄ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｃｒａｃｋ??为保证井口注水过程中对水的密封性，采用橡胶圈进行处理。具体操作如下：??在井口周围均匀涂抹一层结构胶，待其凝结后，用万能胶水将两个〇型圈固定??于井口，其中外层０型圈外径为１９ｍｍ，内径为１７ｍｍ：内层０型圈外径为１０ｍｍ，??内径为８ｍｍ，如图２．４所示。??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究[J]. 张波,郭帅,杨学英,李垚,许新骥,杨磊,张柏楠. 煤炭学报. 2019(07)
[2]压裂液黏度对循环水力压裂影响的试验研究[J]. 楼烨,张广清. 岩土力学. 2019(S1)
[3]基于扩展有限元的水平井改进拉链式压裂数值模拟[J]. 冯其红,李东杰,时贤,王森,徐世乾,秦勇,安杰. 中国石油大学学报(自然科学版). 2019(02)
[4]一种用于水压致裂试验的水压供给装置研制及应用[J]. 张波,李垚,杨学英,朱飘扬,朱春帝,刘子豪,刘文杰,罗志恒. 岩土力学. 2019(05)
[5]基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型[J]. 郑安兴,罗先启,陈振华. 岩土力学. 2019(02)
[6]岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究[J]. 罗先启,郑安兴. 岩土力学. 2018(02)
[7]单裂缝混凝土结构水力劈裂试验[J]. 甘磊,沈心哲,王瑞,刘泽涵. 水利水电科技进展. 2017(04)
[8]基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究[J]. 龚迪光,曲占庆,李建雄,曲冠政,曹彦超,郭天魁. 岩土力学. 2016(05)
[9]页岩水力压裂的关键力学问题[J]. 柳占立,王涛,高岳,曾庆磊,庄茁,黄克智. 固体力学学报. 2016(01)
[10]中国页岩气特征、挑战及前景(二)[J]. 邹才能,董大忠,王玉满,李新景,黄金亮,王淑芳,管全中,张晨晨,王红岩,刘洪林,拜文华,梁峰,吝文,赵群,刘德勋,杨智,梁萍萍,孙莎莎,邱振. 石油勘探与开发. 2016(02)
博士论文
[1]页岩压裂裂纹三维起裂与扩展行为的数值模拟与实验研究[D]. 赵熙.中国矿业大学(北京) 2017
[2]脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究[D]. 李全贵.中国矿业大学 2015
[3]岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D]. 师访.中国矿业大学 2015
[4]裂缝性储层水力裂缝动态扩展理论研究[D]. 肖晖.西南石油大学 2014
[5]无网格GALERKIN方法及裂纹扩展数值模拟研究[D]. 张敦福.山东大学 2007
硕士论文
[1]基于最大能量释放率理论的裂缝扩展转向研究[D]. 李晓璇.东北石油大学 2019
[2]循环载荷作用下混凝土疲劳裂纹扩展的数值模拟[D]. 孙骁晓.东南大学 2016
[3]基于扩展有限元法的岩石裂纹扩展研究[D]. 王东雪.中国石油大学(华东) 2016
[4]基于扩展有限元的水力压裂数值模拟[D]. 章城骏.浙江大学 2015
[5]循环荷载作用下花岗岩损伤变形与能量特征分析[D]. 赵闯.山东大学 2014
[6]往复荷载下混凝土结构疲劳性能的仿真模拟研究[D]. 胡倩倩.重庆大学 2014
[7]扩展有限元法的研究[D]. 谢海.上海交通大学 2009
[8]基于虚拟裂纹闭合法的裂纹扩展与疲劳寿命研究[D]. 李长安.华中科技大学 2008
本文编号：3219372
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１研宂内容技术路线??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ?ｒｏａｄｍａｐ?ｆｏｒ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｃｏｎｔｅｎｔ??
?山东大学硕士学位论文???第二章水力压裂室内模拟试验??２．１试件的制备??本文研宄天然裂缝在水压作用下的起裂与扩展，采用水泥砂浆制作试块模拟??岩石材料，便于确定天然裂隙的数量和位置。试验材料由水泥、砂子和水配制而??成，配合比为１：?３：?０．６（质量比），其中水泥采用强度为３２．５ＭＰａ的矿渣硅酸盐??水泥、砂子采用粒径小于１．２５ｍｍ的混合砂。??试验中所有试件均采用１５０ｍｍｘｌ５０ｍｍｘｌ５０ｍｍ立方体模具制备，分为无预??制裂隙的立方体试件与含有预置裂纹的立方体试件。对于无预置裂纹的试件，制??备时首先将水泥、砂子和水通过搅拌机混合均匀，随后将水泥砂浆倒入四壁涂有??凡士林的塑料立方体摸具；对于含有预置裂纹的试件，采用穿线法在模具内制作??预置裂纹，如图２．１所示，通过调整穿线的位置来改变预置裂纹的角度。为防止??水压在注射时穿透裂隙，采用ＰＶＣ材料制成２０ｍｍｘ２〇ｍｍ的正方形裂隙，厚度??为０．２ｍｍ，并涂抹凡士林。模具制作完毕后，将搅拌均匀的水泥砂浆倒入涂有凡??士林的模具。??图２．１模具图??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｍｏｕｌｄ??将浇筑完成后的试件放置在振动台上振动１５ｍｉｎ，充分密实并抹平表面。待??试块初凝后（室温下约１５ｈ）将其从模具中取出，如图２．２所示，放入养护箱内??进行养护（温度２０±１．５°Ｃ，湿度９５％），养护时长为２８ｄ，养护完成后置于室温??１０??
?山东大学硕士学位论文???下进行干燥处理。??ｍｍ??图２．２试块初凝??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｃｏｎｃｒｅｔｅ?ｔｅｓｔ?ｂｌｏｃｋ?ａｔ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｓｅｔｔｉｎｇ??试验中采用长度为６５ｍｍ，外径１０ｍｍ，内径９ｍｍ的钢管模拟井筒。在养护??好的试块上表面中心处（对角线交点），用台钻钻取深度为７０ｍｍ，直径为１２ｍｍ??的圆柱形孔洞，将钢管与试件的孔洞通过高强度结构胶粘结，保证井筒上端与试??件上表面平齐，在井筒下方预留５ｍｍ的裸井段，便于将水压注入预置裂纹，如??图２．３所示。??丨?＇卜１??图２．３井筒、预置裂纹位置示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｗｅｌｌｂｏｒｅ?ａｎｄ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｃｒａｃｋ??为保证井口注水过程中对水的密封性，采用橡胶圈进行处理。具体操作如下：??在井口周围均匀涂抹一层结构胶，待其凝结后，用万能胶水将两个〇型圈固定??于井口，其中外层０型圈外径为１９ｍｍ，内径为１７ｍｍ：内层０型圈外径为１０ｍｍ，??内径为８ｍｍ，如图２．４所示。??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究[J]. 张波,郭帅,杨学英,李垚,许新骥,杨磊,张柏楠. 煤炭学报. 2019(07)
[2]压裂液黏度对循环水力压裂影响的试验研究[J]. 楼烨,张广清. 岩土力学. 2019(S1)
[3]基于扩展有限元的水平井改进拉链式压裂数值模拟[J]. 冯其红,李东杰,时贤,王森,徐世乾,秦勇,安杰. 中国石油大学学报(自然科学版). 2019(02)
[4]一种用于水压致裂试验的水压供给装置研制及应用[J]. 张波,李垚,杨学英,朱飘扬,朱春帝,刘子豪,刘文杰,罗志恒. 岩土力学. 2019(05)
[5]基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型[J]. 郑安兴,罗先启,陈振华. 岩土力学. 2019(02)
[6]岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究[J]. 罗先启,郑安兴. 岩土力学. 2018(02)
[7]单裂缝混凝土结构水力劈裂试验[J]. 甘磊,沈心哲,王瑞,刘泽涵. 水利水电科技进展. 2017(04)
[8]基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究[J]. 龚迪光,曲占庆,李建雄,曲冠政,曹彦超,郭天魁. 岩土力学. 2016(05)
[9]页岩水力压裂的关键力学问题[J]. 柳占立,王涛,高岳,曾庆磊,庄茁,黄克智. 固体力学学报. 2016(01)
[10]中国页岩气特征、挑战及前景(二)[J]. 邹才能,董大忠,王玉满,李新景,黄金亮,王淑芳,管全中,张晨晨,王红岩,刘洪林,拜文华,梁峰,吝文,赵群,刘德勋,杨智,梁萍萍,孙莎莎,邱振. 石油勘探与开发. 2016(02)
博士论文
[1]页岩压裂裂纹三维起裂与扩展行为的数值模拟与实验研究[D]. 赵熙.中国矿业大学(北京) 2017
[2]脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究[D]. 李全贵.中国矿业大学 2015
[3]岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D]. 师访.中国矿业大学 2015
[4]裂缝性储层水力裂缝动态扩展理论研究[D]. 肖晖.西南石油大学 2014
[5]无网格GALERKIN方法及裂纹扩展数值模拟研究[D]. 张敦福.山东大学 2007
硕士论文
[1]基于最大能量释放率理论的裂缝扩展转向研究[D]. 李晓璇.东北石油大学 2019
[2]循环载荷作用下混凝土疲劳裂纹扩展的数值模拟[D]. 孙骁晓.东南大学 2016
[3]基于扩展有限元法的岩石裂纹扩展研究[D]. 王东雪.中国石油大学(华东) 2016
[4]基于扩展有限元的水力压裂数值模拟[D]. 章城骏.浙江大学 2015
[5]循环荷载作用下花岗岩损伤变形与能量特征分析[D]. 赵闯.山东大学 2014
[6]往复荷载下混凝土结构疲劳性能的仿真模拟研究[D]. 胡倩倩.重庆大学 2014
[7]扩展有限元法的研究[D]. 谢海.上海交通大学 2009
[8]基于虚拟裂纹闭合法的裂纹扩展与疲劳寿命研究[D]. 李长安.华中科技大学 2008
本文编号：3219372
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