论文摘要
近年来,岩体在水力耦合作用下的变形破坏开裂等力学行为的研究已经成为了地下工程研究的一个重点。水压致裂—是利用加压流体在岩石基质中诱导裂缝萌生和扩展的过程,也在地下油气开采,工程防灾减灾的相关研究中扮演者越来越重要的角色。水力压裂过程的机理,裂隙岩体在水压作用下的扩展过程,以及水压力对岩体力学性质的影响也被越来越多的研究人员所关注。但是流体和岩体都属于一种复杂的综合体,目前大多数的研究中,为了简化计算,通常都把流体理想化成达西流进行计算,但是在实际情况下,岩体空间内部的非达西流是普遍存在的一个现象,因此非达西流在岩体内部何时发生,非达西流产生后对岩体性质的影响等问题也亟待解决。另外工程岩体是一种非连续体,含有大量的不连续面,力学性质很大程度上受制于这些不连续面的性质,因此石根华先生提出的非连续变形分析方法无疑是研究节理岩体稳定性的最理想选择。本文设计了可视化液压密封装置,并在此基础上研究了不同条件下含有预制裂隙的类岩石试件水力压裂和水压致裂的全过程,之后建立了不同岩石有限体积法计算模型,在OpenFOAM平台上计算了流体在砂岩和碳酸盐岩岩石内部空间内发生非达西流时的临界条件以及非达西流因子的大小,根据计算结果,在DDARF基础上推导了达西-非达西流裂隙岩体渗流场和应力场的控制方程,通过二次开发建立DDARF平台裂隙岩体渗流应力耦合分析模型,开展了流固耦合作用下水压致裂裂缝扩展数值模拟,将计算结果与室内试验结果进行了对比,并进行了应用介绍。本文的主要研究内容包括:1)为了能观察到在有水作用下,裂隙岩体的开裂过程,制作了具有类碳酸盐岩性质的类岩石试件,设计了可供观察的液体密封加压装置,并在此基础上进行了不同裂隙内水压力作用下,含贯穿裂隙类岩石试件注水情况下单轴压裂试验,并得出了该岩石试件的裂纹扩展、破坏规律以及应力应变曲线,以及水对岩石参数的影响。2)在不同围压下、不同加载速率,将含贯穿裂隙类岩石试件进行水压致裂试验,得到了类岩石试件水力压裂的裂纹扩展、破坏规律,以及不同外界条件对水压致裂时岩石参数的影响,并对岩石水压致裂的机理进行了分析。3)通过建立Beadpack模型,Bentheimer砂岩模型和Estaillades碳酸盐岩模型,并代入到OpenFOAM中进行计算,得到了三种模型非达西流发生时的临界雷诺数,和非达西流系数。并根据对比和敏感性分析,确保了计算结果的正确性和精确性。4)针对DDARF现有的不足,利用HyperMesh强大的网格模型建立能力,建立了DDARF与HyperMesh的接口程序,针对DDARF无法生成多尺度网格的缺点,利用HyperMesh2DDARF接口程序生成了多尺度的块体划分,在保证了计算精度的情况下,提升了计算效率。5)在流固耦合计算原理的基础上,引入了在水力耦合计算中水力开度的计算方法,推导了在达西流情况下以及非达西流情况下的水头压力计算公式,并将其导入到DDARF的计算程序。6)根据前文提出的基于DDARF的裂隙岩体渗流时流体给裂隙的压应力公式写入到DDARF中,分别在不考虑非达西流影响和考虑达西流影响的条件下模拟了不同外界条件影响对含有预制单裂隙类碳酸盐岩试件的水力压裂以及水压致裂的影响。在考虑非达西流影响时的计算结果更接近室内试验的结果,说明所采用的计算方法是合理可行的,能很好的模拟水压作用下试件的破裂过程。7)通过DDARF裂隙岩体渗流应力耦合分析模型计算了在不同的水压加载速率的情况下,裂隙岩体试件的开裂情况,研究了在不同水压加载速率的情况下,试件的起裂强度和峰值强度随加载速率的变化规律。8)通过HyperMesh2DDARF程序建立了带不同几何形状预制注水裂隙的岩石多尺度网格模型,并在岩石周围施加了相应的地应力,进行了不同预制注水裂隙几何形态情况下地下岩体水压致裂的情况,并计算得到在非达西流动下,较短和较宽的裂缝几何形状比较长和较窄的裂缝能获得更好的生产率;相反,对于达西流,更长和更窄的断裂产生更高的生产率。
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摘要AbstractAcknowledgement英文部分 Chapter 1 Introduction 1.1 Research Background 1.2 Present Research Situation 1.2.1 Fundamental Equation and Numerical Simulation of Seepage 1.2.2 Numerical calculation theory of fluid-solid coupling 1.2.3 Testing Research of Hydrofracturing 1.2.4 Current Status of Numerical Analysis of Hydraulic Fracturing 1.3 Research Content, Innovation and Research Route 1.3.1 Research Contents 1.3.2 Innovation 1.3.3 Research Route Chapter 2 Hydraulic-Mechanical Coupled Properties of Rock Specimenswith Penetrating Fractures 2.1 Preparation of Crack Propagation Test 2.1.1 The Process of Specimen Fabrication 2.1.2 Design of Sealing Device 2.1.3 Injection Equipment 2.1.4 Test Preparation Process 2.1.5 Loading Equipment 2.2 Procedure of Test 2.3 Fracture Condition of Single Fracture Specimens under Different AxialPressures with Water Pressure Inside 2.3.1 Cracking and Failure Modes 2.3.2 Analysis of Stress-Strain Relationship of Rock Specimens withPenetrating Cracks and Water Pressure Inside 2.3.3 States Comparison Between Specimens with or without HydraulicPressure 2.4 Cracking of Single-Crack Specimens under Hydraulic Pressure 2.4.1 Hydrofracturing of Specimen without Confining Pressure 2.4.2 Effect of Confining Stress Difference on Hydrofracturing Initiation 2.4.3 Effect of Water Pressure Loading Rate on Hydrofracturing Initiation 2.5 Conclusions Chapter 3 Non-Darcy Flow Characteristics of the Beadpack Medium 3.1 Introduction of OpenFOAM 3.2 Establishment of Model 3.3 Calculation Conditions and Parameters 3.4 Analysis of Calculation Results 3.4.1 Permeability in Darcy Flow 3.4.2 Status of Non-Darcy Flow 3.4.3 Flow Mode 3.5 Discussion on the β Factor 3.6 Conclusions Chapter 4 Characteristics of Non-Darcy Flow in Sandstone and Carbonate 4.1 Establishment of Models 4.2 Discussion of the Calculation Results 4.2.1 State of Darcy Flow and Non-Darcy Flow 4.2.2 Critical Reynolds Number 4.2.3 Flow Characteristics 4.2.4 Calculation of β Factor 4.2.5 Sensitivity Analysis of Grids Size 4.3 Conclusions Chapter 5 Coupled Calculation Method of Seepage Stress Based on DDARF 5.1 Basic Principles of DDA Method 5.1.1 Deformation and Displacement of Blocks 5.1.2 Equilibrium Equation of Blocks 5.1.3 Solution and Iteration of Equation 5.2 Introduction of DDARF 5.2.1 Automatic Generation of Random Joint Networks 5.2.2 Automatic Generation of Triangular Block Elements 5.2.3 Simulation of Non-Uniformity of Materials 5.2.4 Analysis Method of Block Boundary Cracking 5.3 Establishment of DDARF Multiscale Grid 5.3.1 Introduction of HyperMesh 5.3.2 Transformation of Multiscale Grid 5.3.3 Uniaxial Fracturing Numerical Test 5.3.4 Shearing Numerical Test 5.4 A Method of Coupled Hydraulic-Mechanical Model under Non-Darcy FlowConditions 5.4.1 Determination of Crack Aperture 5.4.2 Fluid Pressure Calculation 5.4.3 Calculation of Head Pressure Loading Applying on Cracks 5.5 Conclusions Chapter 6 DDARF Simulation of Specimens under Hydraulic Pressure 6.1 Conditions of Calculation 6.2 Model and Mechanical Parameters 6.3 Uniaxial Fracturing Process of Specimens under Different HydraulicPressures 6.3.1 Establishment of Numerical Model 6.3.2 Setting of Computational Working Conditions 6.3.3 Numerical Test 6.4 Numerical Simulation of Hydraulic Fracturing Based on DDAFR 6.4.1 Effect of Non-Darcy Flow on Crack Propagation 6.4.2 Simulation of Specimens under Different Confining Stresses 6.4.3 Simulation of Specimens under Different Hydraulic Loading Rates 6.4.4 Effect of Water Pressure Loading Rate on Hydraulic Fracturing 6.5 Application of Calculation 6.5.1 Models and Parameters of Calculation 6.5.2 Analysis of Calculation Results 6.6 Conclusions Chapter 7 Conclusions and Recommendations 7.1 Conclusions 7.2 Recommendations中文部分 第一章 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.2 国内外研究现状 1.2.1 渗流基本方程及渗流的数值模拟 1.2.2 流固耦合的数值计算理论 1.2.3 水压致裂试验研究 1.2.4 水压致裂数值分析研究现状 1.3 本文研究内容、创新点及技术路线 1.3.1 主要研究内容 1.3.2 创新点 1.3.3 技术路线 第二章 含贯穿裂隙类岩石试件水力耦合力学性能研究 2.1 二维裂纹扩展试验准备过程 2.1.1 试件制作流程 2.1.2 密封装置的设计 2.1.3 注水设备 2.1.4 试验准备过程 2.1.5 加载设备 2.2 试验步骤 2.3 水压作用下单裂隙试件在不同轴压情况下的开裂情况 2.3.1 起裂和破坏模式 2.3.2 含贯穿裂隙类岩石试件注水应力应变关系分析 2.3.3 有水和无水状态下的对比 2.4 水压作用下单裂隙试件的开裂情况 2.4.1 无围压情况下的水压致裂 2.4.2 围压差的大小对水力压裂起裂的影响 2.4.3 水压力加载速率对水力压裂起裂的影响 2.5 本章小结 第三章 珠粒多孔介质非均质性的非达西流动特性 3.1 OpenFOAM简介 3.2 模型的建立 3.3 计算条件及参数设定 3.4 计算结果分析 3.4.1 达西流渗透率 3.4.2 非达西流开始 3.4.3 流动模式 3.5 β因子的讨论 3.6 本章小结 第四章 砂岩与碳酸盐岩介质非达西流特征 4.1 模型的建立 4.2 计算结果讨论 4.2.1 达西流与非达西流状态 4.2.2 临界雷诺数 4.2.3 流动特点 4.2.4 β因子的计算 4.2.5 网格大小的敏感性分析 4.3 本章小结 第五章 基于非连续变形的渗流应力耦合计算方法 5.1 DDA方法的基本原理 5.1.1 块体的变形和位移 5.1.2 块体的总体平衡方程 5.1.3 方程的求解与迭代 5.2 DDARF程序的介绍 5.2.1 随机节理网络的自动生成 5.2.2 三角形块体单元的自动生成 5.2.3 模拟材料的不均匀性 5.2.4 块体边界开裂的分析方法 5.3 DDARF多尺度网格的建立 5.3.1 HyperMesh简介 5.3.2 多尺度网格转换程序 5.3.3 单轴单裂隙试验 5.3.4 剪切试验 5.4 达西-非达西流条件下耦合水力-机械模型的方法 5.4.1 裂缝宽度的确定 5.4.2 流体压力计算 5.4.3 作用于裂隙的水头压力荷载计算 5.5 本章小结 第六章 水压作用下内置单裂隙试件的DDARF模拟 6.1 计算条件设定 6.2 模型和力学参数 6.3 不同水压下的试件单轴压裂过程 6.3.1 数值模型的建立 6.3.2 计算工况的设定 6.3.3 水压作用下单裂隙试件在不同轴压情况下压裂过程数值试验 6.4 基于DDARF水压致裂数值模拟 6.4.1 非达西流对水压致裂时裂纹扩展的影响 6.4.2 不同围压差情况下试件的水压致裂试验模拟 6.4.3 不同水压力加载速率下试件的水压致裂试验模拟 6.4.4 水压力加载速率对水压致裂的影响 6.5 计算实例 6.5.1 计算模型与参数 6.5.2 计算结果分析 6.6 本章小结 第七章 结论与展望 7.1 结论 7.2 展望ReferenceResarch ExperimentPublicationsHonors & Awards学位论文评阅及答辩情况表
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王知深
导师: 朱维申
关键词: 有限体积法,非达西流,非达西流系数,临界雷诺数,流固耦合,水压致裂试验,非连续变形分析,裂纹扩展
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 山东大学
分类号: TU45
总页数: 364
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标签：有限体积法论文; 非达西流论文; 非达西流系数论文; 临界雷诺数论文; 流固耦合论文; 水压致裂试验论文; 非连续变形分析论文; 裂纹扩展论文;
