近表面水力压裂裂缝扩展的模拟试验及仿真分析研究

论文摘要

水力压裂是利用流体的压力抬升岩土体并形成断裂裂缝的过程。近些年来,临近自由表面的近表面水力压裂技术的应用前景也逐渐引起了众多相关学者的兴趣。近表面水力压裂技术不仅在水平井分段压裂过程中控制压裂效果,防治地下浅层污染,在矿洞内预先诱导可控制的崩塌来增加产量并保护矿洞整体稳定等方面有着重要的作用。其对于由深成岩所形成岩盖的生成,火山喷发等自然界中的物理现象的解释也有着重要的分析价值。而到目前为止,国外学者对于近表面水力压裂技术的应用已经进行了十数年而国内对于该技术所进行的相关研究还非常的少。本文将采用使用近表面水力压裂模型试验以及采用有限元(ABAQUS)软件中的cohesive模块进行数值模拟的方法对压裂液注入速度以及压裂液粘度等多种原因对裂缝形态等所造成的影响进行研究。本文在吸收了国际上公认的将近表面水力压裂裂缝下表面模型化为刚性板,上表面模型化为弹性薄膜的理论,在借鉴了国外近表面水力压裂试验的经验的基础上改进后搭建的近表面水力压裂试验台进行室内模型试验,在模型试验中通过控制变量的方法,改变压裂液的注入速度以及压裂液的粘度等条件,观察并记录各种情况下近表面裂缝扩展的形态和趋势的区别后进行分析。除此之外,本文还借助搭建的试验台进行了鼓包试验用以测算薄膜的剥离强度。应用有限元ABAQUS软件的cohesive单元进行水力压裂的仿真数值模拟,同样通过改变数值模拟中的压裂液的排量以及压裂液粘度对应室内试验中改变压裂液注入速度以及压裂液粘度的方式对室内模型试验结果进行验证。本文利用室内试验与数值模拟相结合的方法,验证压裂液的注入速度以及压裂液的粘度等因素对于裂缝扩展及其形态的影响,当压裂液粘度较大时,会形成短而宽的裂缝;当压裂液的粘度较小时,会形成窄而长的裂缝。对近表面水力压裂在实际应用者有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及目的
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究目的
•   1.2 近表面水力压裂理论及模拟国内外研究现状
•     1.2.1 国外现状
•     1.2.2 国内现状
•   1.3 近表面水力压裂实验国内外研究现状
•     1.3.1 国外现状
•     1.3.2 国内现状
•   1.4 本文的研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究方法及内容
•     1.4.2 技术路线
• 第2章 近表面水力压裂模拟试验
•   2.1 引言
•   2.2 近表面水力压裂模拟试验
•   2.3 试验装置
•     2.3.1 加压装置
•     2.3.2 信息采集装置
•     2.3.3 近表面水力压裂模拟装置
•   2.4 试验过程
•     2.4.1 近表面水力压裂模拟试验（自吸附）
•     2.4.2 近表面水力压裂模拟试验（不同界面强度）
•   2.5 试验结果分析
•     2.5.1 流体滞后区的观察及其变化
•     2.5.2 不同压裂液注入速度对裂缝扩展速度的影响
•     2.5.3 相同压裂液注入速度下压裂液对裂缝扩展的影响
•     2.5.4 压裂液注入点高度随压裂液注入速度的影响
•   2.6 利用鼓包法测薄膜的吸附强度
•     2.6.1 鼓包法测薄膜吸附强度原理
•     2.6.2 鼓包试验数据参数
•     2.6.3 计算结果及分析
•   2.7 本章小结
• 第3章 有限元数值模拟计算原理
•   3.1 引言
•   3.2 应力原理及破坏理论
•     3.2.1 有效应力原理
•     3.2.2 线弹性体本构关系
•     3.2.3 水力压裂裂缝的破坏形式
•   3.3 cohesive单元
•     3.3.1 cohesive单元的介绍
•     3.3.2 cohesive单元的线弹性本构关系
•     3.3.3 cohesive单元的起裂准则
•   3.4 cohesive单元流体的流动性质
•     3.4.1 压裂液在cohesive单元中进行的切向流动
•     3.4.2 压裂液在cohesive单元中进行的法向流动
•   3.5 边界条件
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于有限元二维水力压裂模拟
•   4.1 力学模型基本假设
•   4.2 建立计算模型
•   4.3 裂缝扩展规律的研究及分析
•   4.4 水力压裂裂缝扩展规律及影响因素分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 试验结果与数值模拟对比研究
•   5.1 压裂液粘度对裂缝扩展的影响
•   5.2 压裂液注入速度对裂缝扩展的影响
•   5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 研究结果
•   6.2 研究的不足
•   6.3 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 毛启明

导师: 王志乔,迟明杰

关键词: 近表面水力压裂,模型试验,数值模拟,裂缝扩展

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,石油天然气工业

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: TE377;O346.1

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000935

总页数: 72

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