T应力对岩石断裂韧性及裂纹起裂的影响

发布时间：2018-11-18 19:56

【摘要】：大量的施工实践工程发现,页岩气、石油、煤层气等化石能源的开采与岩石内部微裂隙的存在与扩展息息相关,裂缝内部网络发育程度越高,越有益于石油天然气等化石资源的开发。因此,研究岩石断裂阻力、裂隙起裂及扩展失稳过程,对油气井工程和岩体工程设计与施工具有重大价值与意义。一直以来,国内外学者认为应力强度因子完全描述了裂纹尖端的奇异应力场,应力强度因子是控制岩石等材料裂纹扩展的唯一一个参数。近年来的研究结果表明,裂纹尖端的奇异应力场函数更高阶项同样具有很大影响作用,即Williams级数解展开式中平行于裂纹面的应力,该应力为一常数,它被认为是显著影响裂纹尖端的应力和应变场的参数。论文根据实际工程问题,从岩石断裂韧性理论分析入手,寻求最佳的数值模拟、岩石Ⅰ-Ⅱ复合型断裂测试及裂纹扩展角的预测方法,促进页岩气储层高效优质的水力压裂和开发。本文首先通过运用有限元软件ABAQUS来计算不同支撑点间距、裂纹倾角、预制裂纹长度的三点弯曲半圆盘试样的断裂参数,并通过对中心直裂纹巴西圆盘的数值解与解析解的对比,证实了数值计算的可靠性;然后详细介绍了半圆盘试件的加工流程、加工尺寸及三点弯曲装置的要求,对半圆盘页岩试样加载得到了龙马溪组页岩的复合型断裂韧性及裂纹初始起裂角;最后,将常规的最大周向应力扩展准则和考虑T应力的修正最大周向应力裂纹扩展准则的理论预测结果和实际实验结果进行对比,验证理论分析结果的正确性。结论及成果如下:(1)特定支撑点间距S情况下,无量纲应力强度因子YⅠ随相对裂纹长度的增大而增大;在相对裂纹长度一定的情况下,无量纲应力强度因子YⅠ随支撑点间距的增大逐渐增大;相对裂纹长度越长,无量纲应力强度因子增幅越大,若相对裂纹长度过大,会增大断裂韧性测试结果的误差;因此本文建议相对裂纹长度a/R取0.2～0.6之间。当相对裂纹长度a/R≤0.5时,无量纲T应力均为负值;无量纲T应力随着相对裂纹长度增大,先减小后增大;(2)龙马溪组页岩的断裂韧性物理实验表明:不同裂纹角度页岩试样断裂载荷分布范围为3.27kN～10.92kN,随着裂纹倾角的增大,半圆盘页岩试样承受最大载荷逐渐增大,龙马溪组页岩纯Ⅰ型断裂韧性为1.13～1.38MPa√m,纯Ⅱ型断裂韧性为0.55～0.62MPa√m,不同倾角裂纹岩样T应力的变化范围为-0.49～9.48MPa;(3)对于纯Ⅰ型断裂,如果不考虑T应力影响情况下,使用传统的最大周向应力裂纹扩展判别准则判断Ⅰ型断裂时,则裂缝沿预制裂纹方向扩展;如果考虑T应力影响的情况下,裂纹扩展路径将发生偏折;传统MTS判据未考虑T应力的影响,预测起裂角存在很大误差,特别是在β45°时,误差更大;对断裂韧性的预测同样具有较大误差,特别是在KⅡ占主导地位时,误差更大;对于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性,膨胀角和断裂韧性取决于T应力的大小,负T应力会降低裂纹起裂角,断裂韧性增加。相反,正的T应力会增大裂纹起裂角,断裂韧性减小;(4)经典的断裂准则仅考虑Williams展开式的奇异项,忽略了更高阶项系数,造成预测结果与实测值存在很大误差。通过将引入T应力修正的最大周向应力裂纹扩展判别准则(GMTS),与经典的裂纹扩展准则(MTS)相对比,研究T应力对岩石断裂韧性及裂纹扩展角的影响;然后基于GMTS准则,对不同倾角裂纹页岩试件的起裂角和断裂韧性进行预测,并与测试值进行对比分析。研究结果表明,T应力对岩石裂纹的断裂角及断裂韧性具有很大影响,特别是在Ⅱ型断裂占主导地位时影响更加显著,GMTS准则能够更好的预测岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹初始扩展角及断裂韧性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE311

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本文编号：2341039