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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。


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