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《中国科学技术大学》 2007年
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水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究

连志龙  
【摘要】: 本文综述了国内外水力压裂技术已取得的研究成果以及水力压裂数值模型的演变过程,介绍了渗流场和应力场耦合计算的研究进展,并简要说明了断裂力学的研究进展和裂纹扩展的数值方法。从有限元计算机模拟这个角度详细阐述了水力压裂数值模拟涉及到的相关计算力学技术。根据平行板间的压降方程推导出裂缝面内的压力表达式,并利用ABAQUS用户子程序接口FLOW和DISP用Fortran编写出压力表达式加载程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。模拟了水力压裂缝的扩展过程,并考察了压裂液粘度、地应力等各种地质参数对裂纹扩展的影响。最后建立了薄油层水平多缝的压裂计算模型,重点模拟了隔层厚度和裂缝条数对缝间干扰的影响,并提出了缝间干扰控制方法。 通过计算分析得到一些有益结论。主要有:采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的。提出了临界缝宽的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据。裂尖的孔隙比与法向应力大小成正比,而与静水压力成反比。渗流场的孔隙比和静水压力成反比关系。在注入压力一定的情况下,起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液粘度、最大水平地应力、弹性模量无关;裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关。水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。缝间间距越小,水平多缝的相互干扰越严重。储层和隔层的应力差越大,水平多缝间的干扰就越小;可通过改变压裂缝的注入压力控制水平多缝的干扰。一次压裂造缝条数越多,则缝间干扰越严重,但裂缝条数对裂缝扩展的影响是有限的,超过一定条数后干扰程度将不再增加。缝间干扰对每条裂缝的干扰程度是不一致的,处于外围油层裂缝受到的干扰较轻,而内围油层裂缝受到的干扰较重。本研究的结论为水力压裂作业参数优化和平衡限流法压裂完井技术提供了理论依据。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O357.3

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 黄纵;;水平缝压裂参数优化设计[J];现代商贸工业;2011年11期
2 李国旗;叶青;李建新;徐守仁;潘峰;连金江;兀帅东;;煤层水力压裂合理参数分析与工程实践[J];中国安全科学学报;2010年12期
3 王瀚;刘合;张劲;吴恒安;王秀喜;;水力裂缝的缝高控制参数影响数值模拟研究[J];中国科学技术大学学报;2011年09期
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 王晓锋;煤储层水力压裂裂缝展布特征数值模拟[D];中国地质大学(北京);2011年
2 魏宏超;煤层气井水力压裂多裂缝理论与酸化改造探索[D];中国地质大学;2011年
3 王德强;湿热地区桥面铺装动水行为及材料组成设计优化研究[D];长安大学;2011年
4 杨阜东;高水压越江盾构隧道管片结构稳定性研究[D];山东大学;2011年
5 薛彩虹;基于ABAQUS软件的岩体渗流—应力耦合效应分析[D];武汉工业学院;2011年
6 韩培锋;低渗透油藏水力压裂研究[D];武汉工业学院;2011年
7 潘炳成;真空—堆载联合预压法加速滩涂固结的参数敏感性分析[D];浙江大学;2008年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谢朝阳,李志,罗美娥,赵跃康;大庆油田薄差油层压裂挖潜技术[J];断块油气田;1997年04期
2 周望,谢朝阳;大庆油田水力压裂技术的发展[J];大庆石油地质与开发;1998年02期
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4 薛世峰,宋惠珍;非混溶饱和两相渗流与孔隙介质耦合作用的理论研究——方程解耦与有限元公式[J];地震地质;1999年03期
5 李锡夔,朴光虎,邓子辰;考虑固结效应的结构-土壤相互作用分析及其有限元解[J];计算结构力学及其应用;1990年03期
6 张洪武,钟万勰,钱令希;土体固结分析的一种有效算法[J];计算结构力学及其应用;1991年04期
7 冉启全,顾小芸;弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟[J];计算力学学报;1999年01期
8 张洪武,钟万勰,钱令希;饱和土壤固结分析的算法研究[J];力学与实践;1993年01期
9 董平川,徐小荷;储层流固耦合的数学模型及其有限元方程[J];石油学报;1998年01期
10 姜瑞忠,蒋廷学,汪永利;水力压裂技术的近期发展及展望[J];石油钻采工艺;2004年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;The energy release rate for hygrothermal coupling elastic materials[J];Acta Mechanica Sinica;2006年01期
2 莫伟伟;徐平;丁秀丽;;库水位涨落对滑坡稳定性影响研究进展[J];地下空间与工程学报;2006年06期
3 王艳丽;王勇;许建聪;伍国军;;节理岩质边坡地下水渗流的离散元分析[J];地下空间与工程学报;2008年04期
4 王金安,彭苏萍,孟召平;岩石三轴全应力应变过程中的渗透规律[J];北京科技大学学报;2001年06期
5 曹建生;张万军;刘昌明;杨永辉;;裂隙岩体渗流补给特性及边坡稳定对策研究[J];北京林业大学学报;2007年04期
6 肖熙,谭开忍,王秀勇;基于时域的桶型基础海洋平台结构—土壤相互作用分析[J];船舶力学;2005年04期
7 孙玉杰;邬爱清;张宜虎;张家发;;基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究[J];长江科学院院报;2009年10期
8 徐栋栋;邬爱清;孙玉杰;;某水电站引水隧洞突水数值模拟[J];长江科学院院报;2010年08期
9 胡敏;陈荐;任延杰;何建军;;30Cr1Mo1V转子钢应力强度因子有限元分析[J];电力科学与技术学报;2009年03期
10 富向;刘洪磊;杨天鸿;杨宏伟;;穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真[J];东北大学学报(自然科学版);2011年10期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 张国新;葛劭卿;陈平;;岩石裂隙中非恒定渗流与变形耦合作用的DDA方法[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
2 胡俊卿;杜娟;尹逊玲;张宏岩;仲福惟;;海拉尔油田深井压裂工艺研究及应用[A];第四届十三省区市机械工程学会科技论坛暨2008海南机械科技论坛论文集[C];2008年
3 朱锋;杨勇;姜士宪;任鸿杰;;滑坡稳定性分析中的耦合计算[A];建设工程理论与实践(第二辑)[C];2005年
4 柴军瑞;;地下水动力学非线性问题综述[A];第五届全国水动力学学术会议暨第十五届全国水动力学研讨会文集[C];2001年
5 王俊光;梁冰;李平;;渗透动水压力作用下的裂隙岩体渗流与应力耦合分析[A];水工渗流研究与应用进展——第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集[C];2006年
6 李宁;张鹏;;岩质边坡稳定分析与设计中的几个基本问题[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
7 刘建军;何翔;冯夏庭;;基于压水试验数据的渗透系数应力敏感性研究[A];第九届全国岩石动力学学术会议论文集[C];2005年
8 祁涛;张均锋;;某水电站坝址区三维渗流参数反演[A];第一届全国水工岩石力学学术会议论文集[C];2005年
9 苏荣华;梁冰;;承压含水层非稳定渗流耦合问题的研究[A];第七届全国岩石动力学学术会议文集[C];2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 孙克国;注浆控制岩溶隧道突水地质灾害的机理和模拟方法研究[D];山东大学;2010年
3 张俊清;高速列车空心车轴表面裂纹应力强度因子研究[D];北京交通大学;2011年
4 郭小红;厦门翔安海底隧道风化槽衬砌结构稳定性研究[D];北京交通大学;2011年
5 彪仿俊;水力压裂水平裂缝扩展的数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年
6 郭磊;浅埋暗挖水下隧道管棚作用机理及开挖的扰动效应研究[D];中南大学;2010年
7 叶礼友;川中须家河组低渗砂岩气藏渗流机理及储层评价研究[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2011年
8 张玉广;基于叠前弹性参数反演的三维应力场及全缝长整体压裂技术研究[D];东北石油大学;2011年
9 郭春华;井眼应力分布模拟及井壁稳定性研究[D];成都理工大学;2011年
10 曹林卫;基于椭圆形微裂纹变形与扩展的准脆性岩石细观损伤—渗流耦合本构模型[D];重庆大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 李义贤;考虑温度作用下煤层气—水两相流运移规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
3 吴诚高;基于ANSYS的乐化水库渗流场与应力场的耦合分析研究[D];南昌大学;2010年
4 周金阳;混凝土防渗墙加固的土石坝有限元分析研究[D];南昌大学;2010年
5 方镜平;压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析[D];浙江大学;2011年
6 唐美芳;可再生低聚羧甲基瓜胶凝胶体系及其流变特性研究[D];华东理工大学;2011年
7 张静;含周向内表面裂纹核电管道J积分计算及失效评定曲线方法研究[D];华东理工大学;2011年
8 覃荣高;勐兴铅锌矿矿坑涌水量的数值模拟研究[D];昆明理工大学;2009年
9 杨峰;惠州地下水封储油洞库群围岩稳定性分析与评价[D];中国地质大学(北京);2011年
10 田辉;非饱和膨润土热—水—力耦合的数值模拟研究[D];北京交通大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄宏伟,臧小龙;盾构隧道纵向变形性态研究分析[J];地下空间;2002年03期
2 胡如军,朱伟,季亚平;盾构隧道管片设计参数的灵敏度分析[J];地下空间;2003年01期
3 朱伟,胡如军,钟小春;几种盾构隧道管片设计方法的比较[J];地下空间;2003年04期
4 苏海东;盾构法隧洞的平面非线性有限元分析[J];长江科学院院报;2000年04期
5 谢小玲,苏海东;穿黄隧道双衬砌结构平面非线性有限元分析[J];长江科学院院报;2002年S1期
6 周刚,傅少君,侯建国;软粘土地基弹-粘塑性比奥固结理论的有限元分析[J];长江科学院院报;2004年01期
7 徐承祥,周柏水;浙江滩涂围垦的现状与展望[J];东海海洋;2004年02期
8 谢朝阳,李志,罗美娥,赵跃康;大庆油田薄差油层压裂挖潜技术[J];断块油气田;1997年04期
9 唐艳玲,张高群,高海滨;HEC煤层压裂液的性能评价及应用[J];断块油气田;2000年03期
10 司淑平,李文峰,马建民;煤层气井产能影响因素分析及对策[J];断块油气田;2001年05期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭小红;厦门翔安海底隧道风化槽衬砌结构稳定性研究[D];北京交通大学;2011年
2 岑仰润;真空预压加固地基的试验及理论研究[D];浙江大学;2003年
3 朱建才;真空联合堆载预压加固软基机理及工艺研究[D];浙江大学;2004年
4 刘先灵;水力压裂实时监测及解释技术研究与应用[D];西南石油学院;2003年
5 张海波;地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟[D];河海大学;2005年
6 钟小春;盾构隧道管片土压力的研究[D];河海大学;2005年
7 荣冠;岩土介质非饱和渗流分析及工程应用研究[D];武汉大学;2005年
8 罗天雨;水力压裂多裂缝基础理论研究[D];西南石油大学;2006年
9 王辉;重载高温区沥青路面结构与材料研究[D];中南大学;2008年
10 吴传海;重载交通沥青路面车辙成因及混合料组成设计研究[D];长安大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张占军;水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构研究[D];长安大学;2000年
2 张玉林;大庆西部外围特低渗透油田开发技术研究[D];大庆石油学院;2002年
3 王强;塑料板排水预压法加固软基机理及沉降计算方法研究[D];河海大学;2004年
4 季亚平;考虑施工过程的盾构隧道地层位移与土压力研究[D];河海大学;2004年
5 姚志安;真空预压加固软基的沉降过程模拟与数值分析[D];武汉理工大学;2004年
6 楼永良;真空预压加固深厚软土地基现场试验与设计理论研究[D];浙江大学;2005年
7 段冰;真空—堆载联合预压的影响因素研究及数值分析[D];浙江大学;2005年
8 郑心铭;盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析[D];西南交通大学;2005年
9 傅搏峰;沥青路面水损害疲劳破坏过程的数值模拟分析[D];长沙理工大学;2005年
10 吴家兴;真空—堆载联合预压软基处理技术研究[D];西南交通大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 袁志刚;王宏图;胡国忠;范晓刚;刘年平;;穿层钻孔水力压裂数值模拟及工程应用[J];煤炭学报;2012年S1期
2 刘奎;;掘进面“三压带”分段注水机理及应用研究[J];中国安全科学学报;2011年04期
3 徐幼平;林柏泉#教授;翟成#副教授;李贤忠;孙鑫;李全贵;;定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用[J];中国安全科学学报;2011年07期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 孙敏娜;水力压裂提高煤层气采收率技术研究[D];西安石油大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钟万勰;一个多用途的结构分析程序JIGFEX(一)[J];大连工学院学报;1977年03期
2 王媛,速宝玉,徐志英;等效连续裂隙岩体渗流与应力全耦合分析[J];河海大学学报;1998年02期
3 李锡夔,朴光虎,邓子辰;考虑固结效应的结构-土壤相互作用分析及其有限元解[J];计算结构力学及其应用;1990年03期
4 张洪武,钟万勰,钱令希;土体固结分析的一种有效算法[J];计算结构力学及其应用;1991年04期
5 王媛,徐志英,速宝玉;裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自由度全耦合法[J];水利学报;1998年07期
6 张士诚,魏明臻,李志恩,相荣成,张有才;大庆油田密井网水平裂缝参数的优选[J];石油大学学报(自然科学版);1999年06期
7 蒋廷学,王宝峰,单文文,李安启;整体压裂优化方案设计的理论模式[J];石油学报;2001年05期
8 蒋廷学,汪永利,丁云宏,孙平,许泽君;压裂方案经济优化的智能专家系统研究[J];石油学报;2004年01期
9 谢朝阳,潘时景,王凤山;薄夹层平衡限流法压裂完井技术[J];石油钻采工艺;1991年04期
10 王振铎,代自勇,崔明月;超深井压裂工艺技术研究[J];石油钻采工艺;1996年06期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王成官;王嘉松;田中旭;乔信起;蒋世全;许亮斌;;海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究[J];水动力学研究与进展A辑;2011年04期
2 张广明;刘合;张劲;吴恒安;王秀喜;;水平井水力压裂的三维有限元数值模拟研究[J];工程力学;2011年02期
3 裴智勇,吴卫国,翁长俭;高速船舱壁加筋板流固耦合振动分析[J];工程力学;2003年02期
4 及春宁;王元战;王建峰;;虚拟区域法在流固耦合问题中的应用[J];力学学报;2009年01期
5 徐张明,华宏星,沈荣瀛;夹层充液的双层加肋壳体的振动模态分析[J];噪声与振动控制;2001年04期
6 张超凡;石耀霖;;海啸灾害的数值模拟研究[J];中国科学院研究生院学报;2008年03期
7 辛春亮;秦健;刘科种;徐更光;;基于LS-DYNA软件的水下爆炸数值模拟研究[J];弹箭与制导学报;2008年03期
8 沙勇;王永学;;稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究[J];哈尔滨工程大学学报;2007年04期
9 马志杰;孟庆生;贾永刚;;循环荷载作用下黄河口海床土的动力响应数值模拟研究[J];中国水运(学术版);2007年04期
10 狄军贞;殷志祥;刘建军;;应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟[J];中国煤田地质;2007年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘建军;冯夏庭;杨春和;尹中民;刘绍轩;;注水井泄压对套管挤压力影响的数值模拟[A];全国岩土与工程学术大会论文集(下册)[C];2003年
2 胡盈辉;庄茁;刘博;程伟;由小川;;附加质量法在大型储液罐地震响应有限元分析中的应用[A];2009海峡两岸机械科技论坛论文集[C];2009年
3 胡盈辉;庄茁;刘博;程伟;由小川;;附加质量法在大型储液罐地震响应有限元分析中的应用[A];十三省区市机械工程学会第五届科技论坛论文集[C];2009年
4 孙峰;薛世峰;;疏松砂岩油藏套管损坏数值模拟分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
5 孔晓丽;江国和;;拖曳线列阵隔振模块水下隔振性能分析[A];第十一届船舶水下噪声学术讨论会论文集[C];2007年
6 何凡;李晓阳;;动脉壁增厚对脉搏波传播影响的数值研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
7 赵铮;李晓杰;陶钢;杜长星;;基于流固耦合算法的多孔铜爆炸压实数值模拟[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 杜珺;邢誉峰;;液体和柱壳耦合系统的固有频率的分析方法及数值比较[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
9 邓荣兵;金先龙;陈峻;丁峻宏;;爆炸冲击波对建筑玻璃幕墙破坏作用的三维数值模拟研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 杨雪松;;降落伞空投过程的仿真研究[A];探索创新交流--中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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 胡建新;有限元的探索[N];光明日报;2002年
3 记者 杜中闻 通讯员 岑新平;西部钻探测井公司完成风城1井射孔[N];中国石油报;2009年
4 记者 刘泓波通讯员 谭华灵;破解两低一高地层射孔难题[N];中国石油报;2008年
5 记者 汪亚萍 通讯员 杨柳;塔里木测井刷新千米射孔纪录[N];中国石油报;2010年
6 刘健 杨念;四川射孔形成系列配套技术[N];中国石油报;2000年
7 本报记者 穆广田 本报通讯员 陈强;“堤外”损失“堤内”补[N];中国石油报;2003年
8 张云普;大庆局薄差油层开发关键技术取得新突破[N];中国石油报;2004年
9 战怀敬 杨影;连续5年射孔突破5000口井[N];黑龙江日报;2010年
10 通讯员 陈华彬;全通径射孔工艺应用浅层油气井[N];中国石油报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 于振东;完井、注采工艺对地层岩石及套管影响因素研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
3 李勇;考虑流固耦合效应的整体压裂数值模拟研究[D];西南石油学院;2004年
4 朴香花;大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究[D];大连理工大学;2006年
5 赵治国;燃油喷雾与多孔介质的相互作用及其在内燃机中应用的数值模拟研究[D];大连理工大学;2007年
6 孙茂盛;泡沫流体冲砂洗井数值模拟研究及应用[D];中国石油大学;2007年
7 武云鹏;有限元线法求解时域问题的研究[D];清华大学;2004年
8 陈强;挥鞭样损伤的生物力学和临床研究[D];第二军医大学;2005年
9 唐军;近岸波浪场的缓坡模型数值模拟及波流场中污染物输运的研究[D];大连理工大学;2005年
10 文成杨;双重介质气藏流固耦合数值模拟研究[D];西南石油学院;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田杰;岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2005年
2 谢元峰;基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究[D];武汉理工大学;2006年
3 李继光;高速铁路用空心车轴径向锻造工艺的模拟研究[D];太原科技大学;2007年
4 刘佳涛;钛合金Ti6Al4V线性摩擦焊接数值模拟研究[D];西北工业大学;2007年
5 李明;HFC6500右托板冲压过程数值模拟研究[D];合肥工业大学;2006年
6 党小建;水轮机导叶流固耦合振动特性计算[D];西安理工大学;2004年
7 徐建丽;高柔性压边多点成形过程的数值模拟研究[D];吉林大学;2004年
8 陆春华;液饱和多孔介质动力响应的弹塑性有限元分析[D];重庆大学;2004年
9 代小芳;基于流固耦合方法的气囊展开数值模拟研究[D];大连理工大学;2008年
10 叶鑫锐;压裂液的流动特性及对油藏裂缝影响研究[D];大庆石油学院;2009年
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