深部地層能源開發(fā)是我國能源的重大戰(zhàn)略需求,鑒于深部地層巖石在高溫高壓的地質(zhì)條件下會呈現(xiàn)顯著的熱塑性特征,亟待提出深部地層巖石熱塑性斷裂模型,并進一步揭示巖石的熱塑性斷裂特征,為安全高效開發(fā)深部高溫儲層能源提供理論基礎(chǔ)。本文圍繞深部地層巖石熱塑性斷裂模型及應用開展了系統(tǒng)研究,包括巖石熱塑性本構(gòu)模型,巖石熱塑性斷裂模型及斷裂特征,高溫巖石熱塑性斷裂特征的測試方法,以及熱塑性斷裂模型在高溫巖石水力裂縫擴展中的應用四個方面。針對深部儲層高溫致密巖石提出了熱塑性本構(gòu)模型。該模型考慮了靜水壓力、偏應力以及溫度對巖石熱塑性的影響,確定了與溫度相關(guān)的Drucker-Prager屈服與強化條件,與溫度相關(guān)的加卸載準則,應力-應變-溫度本構(gòu)關(guān)系。選用20～250℃Tournemire頁巖的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù),確定了熱塑性本構(gòu)模型的模型參數(shù),基于本構(gòu)模型預測了巖石在高溫高壓下的力學響應特征并與試驗結(jié)果對比,模型與試驗的一致性達93%,證明了熱塑性本構(gòu)模型的有效性�；跓崴苄员緲�(gòu)模型的建模方法,將高溫巖石中發(fā)生軟化的斷裂過程區(qū)表征為一條黏聚裂縫,建立了熱塑性斷裂模型。模型包含依賴于溫度的屈服與軟化條件,黏聚力-... 

【文章來源】：中國石油大學(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：158 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

常規(guī)能源與非常規(guī)能源分類圖（數(shù)據(jù)參考王淑玲等[1]與閆存章等[2]）

第1章緒論2開發(fā)利用率，可供給美國2800年的國內(nèi)消耗（以當年能耗為基準）；我國大陸地區(qū)的干熱巖地熱儲量計2%的有效開發(fā)利用率，可供給我國4400年的國內(nèi)能耗（以2012年能耗為基準）[11]。圖1.2中國地熱能源分布[12]及世界范圍內(nèi)增強型地熱系統(tǒng)[5]的實施地點Fig.1.2GeothermalenergydistributioninChina[12]andlocationsofenhancedgeothermalsystemsintheworld[5]以頁巖氣[13-14]、油砂[15-16]及油頁巖[17-18]為代表的非常規(guī)油氣資源正逐步成為世界戰(zhàn)略能源的重要組成部分。基于近年來非常規(guī)油氣勘探與發(fā)展，我國非常規(guī)油氣資源量已形成初步估計[1]：油砂油技術(shù)可采22.6×108t，頁巖氣技術(shù)可采21.8×1012m3，油頁巖油技術(shù)可采120×108t。因而安全與有效開發(fā)非常規(guī)油氣資源密切影響我國未來的能源安全與經(jīng)濟發(fā)展。“高溫高壓”是地熱及深部地層非常規(guī)油氣資源開發(fā)的顯著地質(zhì)特征。增強型地熱系統(tǒng)中干熱巖（花崗巖為主）普遍埋深為3000~10000m，熱儲溫度介于150~650℃[19]；我國頁巖氣普遍埋深較深（≥3500m），其中四川頁巖氣埋深達到了5000~7000m，其儲層溫度介于120~238℃[20]，需要通過深井（≥3500m）以及超深井（≥4500m）進行頁巖氣開采[21-22]。對于深部地層頁巖氣與地熱的開采，高溫高壓的顯著地質(zhì)特征會加劇深部地層巖石熱塑性的發(fā)育，即熱塑性是深部地層壓裂改造的突出特征。以油頁巖與油砂等[15-16]為主的非常規(guī)油氣資源儲層，油氣資源的開采需對儲層進行高溫加熱，如油頁巖溫度需到達約371℃才能將油頁巖里的干酪根轉(zhuǎn)化為可開采的油氣資源[23]。在高溫的作用下，巖石力學性質(zhì)會發(fā)生變化，巖石“熱塑性”將更為顯著，進而高溫條件下的儲隔層巖石力學性質(zhì)將影響井筒安全以及后續(xù)的儲層改造效果。目前

中國石油大學（北京）博士學位論文3開采技術(shù)也是我國開采深地能源的重要挑戰(zhàn)[1]，其中一個重要原因可推斷為對深部巖石熱塑性斷裂認識不清。此外，為探究實際地層中水力裂縫的真實形態(tài)，2018年美國通過在德克薩斯州西部二疊系盆地水力壓裂試驗場，以穿過水力裂縫鉆取巖心的形式揭示了真實水力裂縫形態(tài)特征[24]。研究結(jié)果表明[24]真實水力裂縫形態(tài)不符合雙翼平面裂縫的常規(guī)認識，真實水力裂縫呈復雜簇狀小尺寸裂縫的形態(tài)特征，表明水力裂縫擴展呈現(xiàn)顯著的非線性斷裂特征，即在水力裂縫尖端形成了大量微裂縫或次級裂縫。因而以線彈性斷裂參數(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)壓裂模型無法充分地刻畫真實水力裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律，也無法揭示溫度對水力裂縫非線性擴展的影響。深地能源開采急需采用包含溫度的非線性斷裂模型作為水力壓裂新模型的理論基矗綜上，目前有效開采深部地層能源（以地熱與頁巖氣為主）存在一個重要難題，即“深部地層巖石熱塑性斷裂模型及應用”。圖1.3溫度對花崗巖微結(jié)構(gòu)的影響[25]Fig.1.3Effectoftemperatureonmicrostructuresofgranite[25]

【參考文獻】：
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本文編號：3050436