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油井岩层复合射孔爆燃气体压裂机理研究

陈莉静  
【摘要】: 油井复合射孔二次爆燃气体对地层压裂作用是流固动力耦合、裂缝动态扩展的岩体力学前沿交叉课题,具有重要的科学意义与明确的应用前景。本文的研究内容与主要成果为: (1)分析井下爆燃气体流动特性,建立裂缝内爆燃气体流动模型。半解析法定性分析裂缝内气体压力分布的基础上,在流动控制方程内引入压力分布函数,转化流动控制微分方程为积分方程,实现爆燃气体在裂缝内流动过程的数值法求解。 (2)在爆燃气体驱动裂缝扩展过程中,裂缝内爆燃气体压力分布与裂缝几何形态相互影响相互制约。本文参考爆炸模型中裂缝法向位移与裂缝面压力耦合关系式,建立复合射孔爆燃气体致裂裂缝张开位移公式;推导不同荷载作用下裂尖应力强度因子,作为裂缝起裂判别的依据;利用裂尖J积分得到的能量释放率确定起裂后裂缝扩展速度。将建立的裂缝内气体流动方程和裂缝体响应方程联合求解,实现爆燃气体流动和裂缝扩展耦合过程的描述。同时考虑到爆燃气体致裂是快速裂缝扩展问题,在裂尖能量平衡式中引入动能增量,分析了裂尖动态响应对裂缝起裂和扩展的影响。 (3)在爆燃气体流动和裂缝体响应的耦合分析基础上,研究爆燃气体驱动裂缝动态扩展数值模型。本模型通过三大模块:爆燃气体流动模块、含裂缝岩体动态响应模块以及裂缝扩展处理模块的耦合求解,实现爆燃气体致裂过程数值模拟。本模拟程序是在大型岩体工程有限元软件FINAL平台上开发完成。并应用了相关的试验资料对模型的正确性进行了验证。 (4)将本文数值模拟结果与相应的半解析解和地面靶试验结果进行了对比分析,以验证本文开发的数值模拟程序计算的可靠性和精度。应用本数值模拟平台,对油井压裂长度这一核心问题的几个主要影响因素展开了系统的数值试验研究。从压裂技术相关因素敏感性分析中总结出改善压裂效果的有效措施,为工程设计提供参考。


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