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《西安石油大学》 2016年
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页岩储层体积压裂裂缝扩展数值模拟

郑鹏  
【摘要】:水力压裂的启裂与扩展是一个复杂非平衡、非线性的演化过程:一方面,研究水力压裂裂缝的启裂与扩展对于压裂设计和压后产能评价有着重要的理论意义;另一方面,地下岩体是非透明、非均质的材料,给岩石内部裂缝扩展和实现破坏的观察带来了非常大的困难。论文基于2013年研发的一套水力压裂裂缝缝网模拟程序(SVFN)进行研究,该软件应用边界元的位移不连续法进行计算,解决了有限元在模拟过程中不能有效处理裂缝尖端奇异性的问题,能模拟多条人工裂缝与大量天然微裂缝的互作用,及形成复杂裂缝缝网的动态过程。在论文的撰写过程中,用C++编程语言编程对SVFN的部分子程序进行了编译和程序调试。论文介绍了边界元的位移不连续法,推导了多裂缝情况下应力强度因子的求取并且给出了裂缝的开裂和延伸准则。以数值模拟为主要研究方法,对体积压裂过程中人工裂缝、天然微裂缝、人工裂缝与天然微裂缝的延伸、裂缝间的扩展形态,缝宽变化,互作用关系以及裂缝相交等方面进行了研究。通过数值模拟及分析,总结了体积压裂过程中裂缝破裂和转向机理以及体积压裂裂缝网络形成的控制因素,体积压裂效果的好坏受到地应力大小,人工主裂缝和天然裂缝的长度、宽度、在地层中的方位、间距、密度、开启或闭合等多重因素的影响。天然裂缝在30°时最容易开裂。人工裂缝内压力以及杨氏模量对裂缝宽度影响程度较大,其他如泊松比、水平地应力、裂缝倾角对其影响相对较小。这为更好地进行体积压裂效果评价奠定了基础。
【关键词】:页岩气 体积压裂 边界元 裂缝扩展
【学位授予单位】:西安石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE357.1
【目录】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-7
  • 第一章 绪论7-17
  • 1.1 研究的目的与意义7-9
  • 1.2 国内外研究现状9-15
  • 1.2.1 页岩储层性质研究9
  • 1.2.2 体积压裂的概念9-10
  • 1.2.3 物理试验研究10
  • 1.2.4 数值模拟模型、算法及常用软件10-12
  • 1.2.5 岩石断裂及裂缝延伸机理12-13
  • 1.2.6 人工主缝扩展及裂缝成网延伸的分析13-15
  • 1.3 本文主要研究内容15-17
  • 第二章 体积压裂裂缝扩展模型17-29
  • 2.1 裂缝扩展延伸数值模拟17-26
  • 2.1.1 基于边界元的位移不连续法17-22
  • 2.1.2 裂缝尖端附近的奇异场22-24
  • 2.1.3 裂缝尖端应力强度因子(SIF)24
  • 2.1.4 复合型裂缝断裂及转向判据24-26
  • 2.2 裂缝扩展数值模拟流程图26
  • 2.3 模型验证26-29
  • 2.3.1 对模型应力计算的验证27
  • 2.3.2 对模型中裂缝扩展方向的验证27-29
  • 第三章 体积压裂人工主裂缝扩展研究29-52
  • 3.1 体积压裂单条人工裂缝的研究29-43
  • 3.1.1 压裂时人工主裂缝周围应力29-32
  • 3.1.2 裂缝偏转角度研究32-37
  • 3.1.3 单裂缝扩展时裂缝宽度变化37-42
  • 3.1.4 小结42-43
  • 3.2 体积压裂两条人工裂缝扩展研究43-45
  • 3.2.1 裂缝时候周围应力变化43-45
  • 3.3 体积压裂多条人工主裂缝同时压裂的研究45-51
  • 3.3.1 多裂缝时裂缝周围应力变化46-47
  • 3.3.2 缝宽与簇间距的关系47-49
  • 3.3.3 人工主裂缝长度不等时候的延伸情况49-50
  • 3.3.4 小结50-51
  • 3.4 本章小结51-52
  • 第四章 地层天然微裂缝扩展研究52-56
  • 4.1 单裂隙扩展研究52-53
  • 4.2 两条裂隙之间沟通情况研究53-54
  • 4.3 多裂隙岩体单轴压缩下的扩展54-55
  • 4.4 本章小结55-56
  • 第五章 人工主缝与天然裂缝互作用研究56-64
  • 5.1 人工裂缝与天然裂缝相交56-58
  • 5.1.1 裂缝扩展形态及影响因素分析56-58
  • 5.2 人工裂缝与天然裂缝不相交58-63
  • 5.2.1 人工裂缝和闭合天然裂缝互作用扩展形态研究59-60
  • 5.2.2 天然裂缝长度对裂缝破裂的影响60-62
  • 5.2.3 人工裂缝和张开的天然裂缝互作用扩展形态研究62-63
  • 5.3 本章小结63-64
  • 第六章 结论64-65
  • 致谢65-66
  • 参考文献66-72
  • 攻读硕士期间发表论文72-73

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