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《大庆石油学院》 2009年
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水力压裂岩体非线性损伤演化研究

赵万春  
【摘要】: 准确地描述水力压裂裂缝形成与分布是优化压裂施工参数、提高压裂效果的重要依据。以往的水力裂缝研究主要基于断裂力学基础上的单一裂缝扩展和延伸。然而,大量的现场实践表明,水力压裂形成的不是单一裂缝,而是由许多微小裂缝增长、扩大、汇合形成的局部破坏带。运用断裂力学理论难以准确合理地模拟或描述地下储层真实的破裂过程。针对这一问题,需从一个新的理论视角出发对水力裂缝真实形态及破裂机理等问题做更深层次的研究与探索。本文运用损伤力学研究水力压裂岩体的损伤特性和微裂缝形成过程。开展了基于损伤理论井眼围岩应力分布研究;水力压裂过程岩体非线性损伤力学和非线性损伤演化研究,建立了运用损伤理论描述水力压裂岩体破坏和微裂缝形成的研究方法,为弥补断裂力学研究水力压裂的不足提供了新的研究思路和计算手段。主要研究工作与研究成果如下: 首先,本论文考虑双重介质岩体渗流作用,将井眼围岩区域分为破坏区、损伤区和弹性区,基于损伤理论建立了井眼围岩的应力分布和井眼围岩破坏半径和损伤半径计算模型。该模型的建立为水力压裂的岩体损伤力学模型和非线性损伤演化的研究打下了基础。 其次,考虑水力压裂为岩体动静态组合加载过程,提出动态应力强度因子计算方法,建立了水力压裂动态加载下微裂缝形成和岩体非线性损伤劣化的应力分布模型。 再次,根据能量守恒原理,建立了水力压裂过程岩体损伤劣化的本构模型。计算分析了岩体损伤变量、岩体损伤应变、弹性模量与泵压的变化关系。并假设加载过程中,释放出的能量促使新的微裂纹演化,微裂纹以分岔-生长-再分岔生长模式形成,建立了任意压裂阶段微裂缝的增长数目和长度分岔损伤演化本构模型。计算结果与前人试验研究成果变化规律吻合。 建立了任意压裂阶段微裂缝损伤演化增长分布形态模型,得出岩体微裂缝损伤演化分岔增长在主裂缝周围形成“树叉”状附属微裂缝。确定分支微裂缝与基础裂缝的初次分岔夹角范围和分岔角随裂缝分岔级数变化规律;建立了微裂缝分岔增长后的微裂缝张开度模型,分别计算了矩形裂缝、椭圆形裂缝和楔形裂缝张开度。并通过有限元模拟方法对模型进行了验证。 建立了水力压裂岩体微裂缝的生长密度和生长长度方程,给出任意压裂阶段微裂缝分岔增长数以及微裂缝分布密度和裂缝间距;得到了微裂缝的增长长度随泵压以及初始微裂缝的变化规律。 最后,根据建立的微裂缝形态模型、微裂缝的增长密度和增长长度模型以及压裂岩体微裂缝演化后的渗透张量模型,运用有限元模拟软件对吉林油田新民区块进行了产能模拟,结果表明,基于损伤理论的水力压裂岩体渗透张量计算得到的产能与实际产能吻合较好。 本文创新性地将损伤力学理论用于研究水力压裂岩体破坏和微裂缝形成,为水力压裂岩体的破坏特征和裂缝分布状态开辟了一个新的研究方向。本文的研究从岩体宏细观的角度揭示了岩体宏观主裂缝扩展和延伸是岩体细观损伤劣化和微裂缝演化发展的物理内涵。得出了主裂缝扩展和延伸是微裂缝细观损伤演化的宏观唯象表征。本论文的研究解释了运用断裂力学研究水力压裂单一裂缝扩展和延伸与实际工程存在误差的根本问题。对更深刻的了解水力压裂过程岩石的破裂机理提供了更为成熟可靠的科学依据,对进一步改善水力压裂设计提供了强有力的理论指导和技术支持,具有重要的学术价值和现实意义。
【学位授予单位】:大庆石油学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TE357.11

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 李玉伟;水力压裂井井眼围岩损伤力学模型[D];大庆石油学院;2010年
2 于千;交割网状煤岩体力学参数确定及围岩应力计算[D];东北石油大学;2012年
3 王珏;基于损伤理论的水力压裂人工裂缝应力场研究[D];东北石油大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨天鸿,徐涛,冯启言,唐春安;脆性岩石破裂过程渗透性演化试验[J];东北大学学报;2003年10期
2 李勇明,郭建春,赵金洲;油藏整体压裂数值模拟软件的研制与应用[J];断块油气田;2004年05期
3 闫建文,王群嶷,张士诚;低渗透油田压裂注水采油整体优化方法[J];大庆石油地质与开发;2000年05期
4 张磊,王文军,张红军;低渗透油田注水井压裂数值模拟研究[J];大庆石油地质与开发;2003年02期
5 侯洪涛;邹群;段志刚;李军;张勇;张晓波;;先进的多层压裂技术[J];国外油田工程;2007年02期
6 刘建军,杜广林,薛强;水力压裂的连续损伤模型初探[J];机械强度;2004年S1期
7 王群嶷;冯立;;大庆低渗透油田薄差油层勘探开发整体压裂优化设计应用与实践[J];中国石油勘探;2005年06期
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10 杨天鸿,唐春安,梁正召,李连崇,朱万成,谭国焕;脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究[J];力学学报;2003年05期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 曾雨辰;转向重复压裂技术研究与应用[D];西南石油学院;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 唐庆春;整体压裂垂直裂缝数值模拟方法研究[D];吉林大学;2007年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 范颖芳,周晶;人工神经网络在受腐蚀钢筋混凝土结构工程中的应用[J];四川建筑科学研究;2004年01期
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5 柯长仁;蒋俊玲;陈升平;;混凝土单轴压缩损伤的模型试验研究[J];四川建筑科学研究;2008年05期
6 张雪颖;阮怀宁;贾彩虹;;岩石损伤力学理论研究进展[J];四川建筑科学研究;2010年02期
7 薛刚;张晓斌;李奉阁;;损伤钢筋混凝土梁受力性能计算分析[J];四川建筑科学研究;2010年03期
8 吴定州;余国锋;孟祥瑞;;低透气性煤层松动爆破增透机理数值模拟研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2008年05期
9 徐士良;;基于滑动裂纹模型的岩石损伤统计本构模型[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2012年02期
10 刘倩倩;沈明荣;;波浪作用下水下岩质边坡模型试验研究[J];安徽建筑;2008年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 方俊伟;康毅力;游利军;李相臣;;致密砂岩气藏多尺度传质行为研究进展[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 陶俊林;刘彤;王汝恒;陈裕泽;;混凝土材料的高温静载压缩力学性能研究[A];第七届海峡两岸工程力学研讨会论文摘要集[C];2011年
3 秦四清;泮晓华;;地壳岩石剪切失稳的应力与应变准则[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
4 宋常;冯新;周晶;;高混凝土重力坝在强震作用下损伤破坏的数值模拟[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
5 白国良;梁冰;;煤炭开发中相关渗流力学问题研究[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
6 刘宁;朱维申;;动荷载作用下的混凝土的混沌响应分析[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
7 江松青;刘文韬;于恒;;微孔洞形核对延性材料损伤与失效的影响[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
8 张晶;付强;邓守春;梁乃刚;;构元组集弹性损伤模型对准脆性材料损伤至断裂各向异性特征的分析[A];固体力学进展及应用——庆贺李敏华院士90华诞文集[C];2007年
9 徐辉;张光永;王靖涛;;黏土不排水条件下的应力路径损伤本构模型[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
10 张成良;李新平;代翼飞;;考虑损伤效应的岩锚梁光面爆破数值分析[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
2 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
4 李刚;水岩耦合作用下软岩巷道变形机理及其控制研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
5 汪忠明;基于非局部增强梯度模型的混凝土断裂损伤研究[D];合肥工业大学;2010年
6 甄晓霞;大跨径钢桥桥面铺装体系力学行为研究[D];华南理工大学;2010年
7 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
8 杨溢;爆破荷载对蠕动边坡的累积效应及稳定性影响研究[D];昆明理工大学;2010年
9 陶高梁;岩土多孔介质孔隙结构的分形研究及其应用[D];武汉理工大学;2010年
10 邓华锋;库水变幅带水—岩作用机理和作用效应研究[D];武汉大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘浩;高煤级煤储层水力压裂的裂缝预测模型及效果评价[D];河南理工大学;2010年
2 赵大为;空间热循环和辐照环境对LF6铝合金焊接组织及性能的影响[D];河南理工大学;2010年
3 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
4 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
5 姜世元;缺陷法控制冲击地压的力学分析及应用[D];山东科技大学;2010年
6 李克建;济南燕翅山山体变形机理及治理研究[D];山东科技大学;2010年
7 李成成;综放开采断层应力分布特征与冲击危险评价研究[D];山东科技大学;2010年
8 张伟杰;基于渗流—应力耦合作用的裂隙型底板突水机理及危险性预测研究[D];山东科技大学;2010年
9 郑茂兴;薄层灰岩顶板回采巷道围岩控制技术研究[D];山东科技大学;2010年
10 石灵吉;压裂裂缝方位监测系统设计与实现[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨天鸿,徐涛,冯启言,唐春安;脆性岩石破裂过程渗透性演化试验[J];东北大学学报;2003年10期
2 闫建文,王群嶷,张士诚;低渗透油田压裂注水采油整体优化方法[J];大庆石油地质与开发;2000年05期
3 侯洪涛;邹群;段志刚;李军;张勇;张晓波;;先进的多层压裂技术[J];国外油田工程;2007年02期
4 余雄鹰,邢纪国,汪先迎;斜井的破裂压力和裂缝方位[J];江汉石油学院学报;1994年01期
5 刘建军,杜广林,薛强;水力压裂的连续损伤模型初探[J];机械强度;2004年S1期
6 王群嶷;冯立;;大庆低渗透油田薄差油层勘探开发整体压裂优化设计应用与实践[J];中国石油勘探;2005年06期
7 高路彬;混凝土变形与损伤的分析[J];力学进展;1993年04期
8 邢修三;损伤和断裂的统一[J];力学学报;1991年01期
9 杨天鸿,唐春安,梁正召,李连崇,朱万成,谭国焕;脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究[J];力学学报;2003年05期
10 鞠杨,谢和平;APPLICABILITY OF DAMAGE DEFINITION BASED ON HYPOTHESIS OF STRAIN EQUIVALENCE[J];Journal of Coal Science & Engineering(China);2000年02期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 刘伟;水力压裂压力动态试井分析与增产效果提高方法研究[D];中国地质大学(北京);2005年
2 陈德民;红菱矿区煤层气藏开发方法研究[D];中国地质大学(北京);2008年
3 杜春志;煤层水压致裂理论及应用研究[D];中国矿业大学;2008年
4 陈要辉;海拉尔油田凝灰质储层水力压裂力学理论研究[D];大庆石油学院;2008年
5 张志强;非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法[D];西安理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 罗克勇;煤层气水平井排采控制研究[D];西安科技大学;2011年
2 石强;煤体结构及渗流特性的核磁共振成像实验研究[D];辽宁工程技术大学;2006年
3 唐庆春;整体压裂垂直裂缝数值模拟方法研究[D];吉林大学;2007年
4 马青;基于损伤理论的圆形水工压力隧洞围岩应力场分析[D];长安大学;2009年
5 张晓光;基于损伤理论重复压裂应力场研究[D];大庆石油学院;2009年
6 李玉伟;水力压裂井井眼围岩损伤力学模型[D];大庆石油学院;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 于千;交割网状煤岩体力学参数确定及围岩应力计算[D];东北石油大学;2012年
2 王珏;基于损伤理论的水力压裂人工裂缝应力场研究[D];东北石油大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 宗琦,杨吕俊;岩石中爆炸冲击波能量分布规律初探[J];爆破;1999年02期
2 易顺民,赵文谦,蔡善武;岩石脆性破裂断口的分形特征[J];长春科技大学学报;1999年01期
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5 唐春安,黄明利,张国民,焦明若;岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟[J];地震;2001年02期
6 银本才,杜卫平,陈小新;重复压裂技术研究与应用[J];断块油气田;2001年02期
7 李勇明,郭建春,赵金洲;油藏整体压裂数值模拟软件的研制与应用[J];断块油气田;2004年05期
8 位云生,胡永全,赵金洲,颜鑫,田继东;人工神经网络方法在水力压裂选井评层中的应用[J];断块油气田;2005年04期
9 陈凤;罗美娥;张维平;王运涛;;大庆外围油田地应力特征及人工裂缝形态分析[J];断块油气田;2006年03期
10 胥元刚,张琪;变裂缝导流能力下水力压裂整体优化设计方法[J];大庆石油地质与开发;2000年02期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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5 董承全;孟军涛;;声发射预测岩体破坏的试验研究与应用[J];西部探矿工程;2010年10期
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10 王国鸿;徐赞;;水力压裂技术提高低透气性煤层瓦斯抽放量浅析[J];煤矿安全;2010年08期
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1 于广明;赵建锋;;采动岩体破坏协同模型研究[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
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3 凌建明;孙钧;;岩体破坏后损伤特性及其力学描述[A];中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集[C];1994年
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7 李荣强;;河谷伴生断裂的形成机理探讨[A];首届全国青年岩石力学学术研讨会论文集[C];1991年
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1 通讯员王志磊 记者刘耀平;水力压裂技术领先[N];中国煤炭报;2011年
2 周泽山;创新 不竭的动力[N];中国矿业报;2002年
3 任山 黄小军;上百亿难动用储量可望升级动用[N];中国石化报;2003年
4 马小伟 孟庆云;胜利现河高效开发低渗透油藏[N];中国石化报;2004年
5 本报记者 刘国安;重视现代油藏管理发展动向[N];中国石油报;2003年
6 觅程;青平川采油厂科技增油尝甜头[N];延安日报;2010年
7 杨玉峰;页岩气改变全球能源格局[N];中国石化报;2010年
8 本报驻美国记者 温宪;页岩气或将改变美能源结构[N];人民日报;2011年
9 卢雪梅 张亚雄;页岩气钻采技术带动页岩油开发[N];中国石化报;2011年
10 李明岩;加拿大霍恩河盆地页岩气藏潜力巨大[N];中国石化报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵万春;水力压裂岩体非线性损伤演化研究[D];大庆石油学院;2009年
2 许传华;岩体破坏的非线性理论研究及应用[D];河海大学;2004年
3 海书杰;油页岩渣制备石油支撑剂的研究[D];中国地质大学;2010年
4 连志龙;水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年
5 汤琦;水平井水力压裂技术研究[D];中国地质大学(北京);2012年
6 黄中伟;高压水射流辅助压裂机理与实验研究[D];中国石油大学;2007年
7 唐礼忠;深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究[D];中南大学;2008年
8 彭欣;复杂采空区稳定性及近区开采安全性研究[D];中南大学;2008年
9 张平;裂隙介质静动应力条件下的破坏模式与局部化渐进破损模型研究[D];西安理工大学;2004年
10 张志强;非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法[D];西安理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张晓光;基于损伤理论重复压裂应力场研究[D];大庆石油学院;2009年
2 何松晟;基于能量方法的岩体破坏机理及其在边坡工程中的应用[D];武汉工业学院;2012年
3 梁利平;东濮凹陷深层气藏水力压裂技术研究与应用[D];西南石油学院;2005年
4 陈小奎;煤层水力压裂三相耦合数值模拟研究[D];安徽理工大学;2008年
5 孙东生;滨南油田水力压裂模拟试验研究[D];中国地质科学院;2007年
6 赵建锋;岩体弱面的分形性与含弱面岩体破坏的力学行为研究[D];辽宁工程技术大学;2002年
7 周奎;含三维裂隙的脆性岩体破坏机理的试验与数值分析研究[D];山东大学;2011年
8 吕霁;特厚煤层综放开采上覆岩层破坏规律研究[D];北方工业大学;2010年
9 刘永喜;大庆油田薄差层压裂工艺技术研究[D];大庆石油大学;2006年
10 丁泰山;超欠挖状态下地下洞室围岩稳定性数值分析[D];西北工业大学;2007年
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