页岩气储层水力压裂原理与数值模拟研究

发布时间：2017-09-11 03:13

  本文关键词：页岩气储层水力压裂原理与数值模拟研究

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【摘要】：随着科技的巨大进步,全球经济的快速发展,人类社会对能源的需求也越来越大,以煤炭、石油资源为代表的传统不可再生能源正日益减少,以太阳能、风能、地热能为代表的新型可再生能源产能和利用效率又非常有限且相对成本较高。因此,当前急需一种新型能源来缓解能源短缺问题。页岩气作为一种新型能源,凭借储量巨大、环境友好和可持续开发等特点成为目前缓解能源短缺问题的有效能源。然而,与传统油气资源相比,页岩气藏储层的地质条件更加复杂,储层渗透率低、导流能力差等特点,使得页岩气开发的难度更大,技术要求更高。因此页岩气开发过程中储层岩石水力压裂裂缝形成和扩展机理问题一直是众多学者研究的目标。与传统物理实验相比,计算机数值模拟方法具有周期更短、效率更高、成本更低等优势,而且随着科学技术的日益进步,计算机模拟也日渐成熟,在可靠性和安全性等方面也有了长足的进步。因此,通过计算机对页岩气储层水力压裂裂缝破裂和扩展进行数值模拟变得有效、可行,并终将成为解决这一问题的有效方法。水力压裂作为目前页岩气开发的主要技术手段,在断裂力学、岩土力学等理论基础的指导下,逐渐经形成了较为完善的现场施工体系。通过井筒向储层中的射孔和天然裂缝输入压裂液提高裂缝中的压强,使得裂缝破裂并扩展,进而增加裂缝表面与储层页岩气的接触面积,大幅提高页岩气的采集和生产能力。本文使用工程模拟有限元软件ABAQUS,在建立非线性流固耦合水力压裂模型的基础上,运用扩展有限元方法对不同情况下储层裂缝破裂和扩展进行了数值模拟。首先,回顾了水力压裂技术和页岩气开采的发展历程;其次,介绍了水力压裂过程中储层裂缝破裂和扩展的理论基础,包括多孔介质理论、流动方程和有限单元法等;第三,介绍ABAQUS软件在水力压裂方面的应用,简述其优势和处理此类问题时所使用的理论知识,并通过建立储层单一裂缝破裂扩展模型与经典理论对比,验证此方法的合理性和可靠性;第四、五章分别对储层单一裂缝和多裂缝在不同条件下破裂和扩展的模拟分析,总结归纳了在不同情况下,水力压裂裂缝破裂和扩展的规律;最后,对本研究工作进行总结与展望,模拟结果能较好的拟合实际理论结果,能对压裂后续过程中裂缝扩展进一步模拟,该方法对水力压裂设计和优化有一定的指导意义,相信未来页岩气水力压裂技术必将迎来巨大的发展。
【关键词】：水力压裂 裂缝扩展 流固耦合 有限元法 ABAQUS数值模拟
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE377
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 水力压裂技术研究现状15-16
• 1.2.2 页岩气开发研究现状16-19
• 1.2.3 压裂裂缝破裂延伸研究现状19-20
• 1.3 面临的问题及今后发展趋势20
• 1.3.1 目前面临的问题20
• 1.3.2 今后发展趋势20
• 1.4 主要研究内容和方法20-22
• 1.4.1 主要研究内容20-21
• 1.4.2 研究方法21-22
• 第二章 裂缝破裂和扩展的理论基础22-30
• 2.1 储层多孔介质理论22-28
• 2.1.1 储层岩石破裂和扩展23-25
• 2.1.2 储层多孔介质流固耦合25-28
• 2.2 裂缝中流体流动模型28-29
• 2.3 流体渗流模型29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 ABAQUS软件在水力压裂上的应用30-40
• 3.1 ABAQUS软件介绍30-31
• 3.2 ABAQUS扩展有限元及其损伤模型31-36
• 3.2.1 扩展有限元31-33
• 3.2.2 基于扩展有限元的线弹性牵引分离行为33-34
• 3.2.3 损伤模型34-36
• 3.3 ABAQUS模拟验证36-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 水力压裂单一裂缝破裂扩展模拟研究40-50
• 4.1 情况1裂缝破裂扩展模拟研究40-48
• 4.2 情况 1—5 裂缝破裂扩展模拟对比研究48-49
• 4.3 本章小结49-50
• 第五章 水力压裂多裂缝破裂扩展模拟研究50-66
• 5.1 水平平行裂缝对水力压裂的影响50-56
• 5.2 水平共线裂缝对水力压裂的影响56-58
• 5.3 垂直角度天然裂缝对水力压裂的影响58-63
• 5.4 任意角度天然裂缝对水力压裂的影响63-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-69
• 6.1 主要成果总结66-67
• 6.2 展望与设想67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果73-74
• 致谢74-76

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本文编号：828272