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不同高径比的页岩液氮冻胀破坏效果的数值研究

王奎胜  
【摘要】:美国于1997年就已经工业化采用液氮压裂液用于油气生产,我国自2015年后油气开采工程使用液氮压裂液与射流辅助钻探得到大范围开发与普及。本文基于RFPA~(2D)-Thermal软件系统,选用高径比为0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0的七种高径比页岩试样,结合标准页岩的材料参数设置结构为单层、多层的不同高径比页岩试样冻胀裂缝产生过程与破坏效果的影响进行研究,结合工程施工成本控制措施对不同换热速度与不同高径比的单层、多层的页岩试样冻胀破坏效果进行研究。研究意义与目的在于,本文研究的成果能够在成本高昂的液氮开采页岩油气工程施工中充分发挥液氮对页岩的低温致裂效果达到减少液氮使用量得以降低成本、充分发挥液氮破坏效力以改善页岩油气储集层空间、提升压裂缝隙渗透性之目的。本文的主要研究内容摘要如下:(1)研究不同高径比页岩试样的应变与应力关系,基于此分析不同高径比页岩试样的声发射事件产生规律,结合不同高径比页岩试样冻胀破坏过程与最终破坏形态,进行不同高径比对页岩冻胀裂缝产生规律的分析与总结。研究表明:高径比0.3-0.5范围的页岩模型,在冷冲击冻胀破坏过程中单元破坏比例最小,原因在于该范围高径比的页岩试样发生应变需要更多的应变能;高径比1.0-2.0范围的页岩试样模型在冷冲击的处理下得到了有效的结构体破坏,原因在于该范围高径比的页岩试样发生应变所需能量比高径比较小的页岩试样有明显降低,且适宜的高径比产生的温度应力得到了充分的做功。高径比大于2.5的页岩试样,由于产生剧烈的纵向温度应力,迅速破坏的主裂隙隔绝了热量传递,残留下大量完整结构,故该范围高径比页岩试样破坏不完善。(2)根据中石油勘探研发院的勘探报告与大量学者对页岩物理属性的物理试验测试结果选取合理参数范围内的两种页岩物理参数构建页岩层理模型,研究表明,层理结构能够对高径比范围为0.3-1.5的页岩试样冻胀破坏起到明显增幅作用,层理结构能够引起峰值更高的最小主应力,并因为结构面的弱结构面裂缝萌生更加迅速,冻胀后会获得比单层非均质页岩试样破坏更为彻底的主裂缝,层理方向对高径比范围为0.3-1.5的页岩试样影响表现为主裂缝蔓延的方向平行于弱结构面。层理结构不会对高径比范围大于2.0的页岩试样冻胀破坏起到明显增幅作用,层理方向对高径比范围大于2.0范围的页岩试样影响十分明显,具体表现在层理结构页岩试样内部因为频繁的换热差形成了更多的温度梯度,使页岩整体材料单元的弹性模量大幅度下降。(3)分析换热速度与导热系数的变化对于页岩试样应力的影响,同时建立数值模型分析其对不同高径比页岩的影响,研究发现提升合理范围的换热速度能够对高径比为0.3-0.5的页岩试样破坏过程明显提升,但是大幅度的提升换热速度对破坏中已增幅状态的改变十分有限。提高合理幅度的换热速度能够对高径比为1.0-1.5的页岩试样破坏过程产生明显提升,提高换热速度后,冷冲击能够将该范围的页岩试样整体结构从内部冻裂破坏,使其丧失整体强度。大幅度的提升换热速度后,冷冲击的破坏幅度有所提升但是十分有限。提高换热速度对高径比为2.0-3.0的页岩试样破坏过程没有明显的影响,但是对其破坏形式与裂缝起裂范围有明显影响,随着换热速度的增高,高径比为2.0-3.0的页岩试样内部产生主裂缝的位置有明显改变。随着换热系数的提高,初始裂缝的萌生坐标在更高的温度梯度引起的更大的温度应力作用下向上位移的趋势越明显。


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