本文關(guān)鍵詞：冰層鉆探孔壁水力壓裂數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在極地冰層鉆探工程中,為防止孔壁應(yīng)力釋放后冰的蠕變引起的縮徑問題,維持孔內(nèi)應(yīng)力平衡的低溫鉆井液是必不可少的。但是由于種種工程設(shè)計(jì)和施工問題,鉆井液柱壓力常常在局部超過孔壁原地應(yīng)力,甚至造成壓力差過大引發(fā)孔壁水力壓裂現(xiàn)象,鉆井液大量流失,且導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)、埋鉆等各種問題和事故,因此研究冰層鉆探孔內(nèi)液柱作用下的孔壁起裂壓力和裂縫擴(kuò)展情況,具有重要的科學(xué)意義和工程適用價(jià)值。長期以來,人們對(duì)巖石層、煤層鉆孔孔壁的水力壓裂問題已經(jīng)有相當(dāng)?shù)难芯?而對(duì)冰層鉆孔孔壁水力壓裂尚無系統(tǒng)研究,而冰的低強(qiáng)度、極大的溫度效應(yīng)、蠕變以及晶體特性,使水力壓裂研究從巖石向冰的延伸困難重重。但是水力壓裂問題的研究離不開傳統(tǒng)的“三步走”思路:理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從力學(xué)模型、起裂準(zhǔn)則的理論探討,到數(shù)值模擬的水力壓裂過程,最后在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證和探討水力壓裂的起裂和裂縫擴(kuò)展,利用三相對(duì)比分析來尋找可靠的起裂準(zhǔn)則和計(jì)算方程,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際工程的參數(shù)指導(dǎo)。本文針對(duì)冰層鉆探孔壁水力壓裂問題,從冰層特性和理論公式、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)探索三個(gè)方面進(jìn)行研究,探討水力壓裂起裂壓力與鉆孔深度的關(guān)系,以及主要裂縫的擴(kuò)展趨勢。理論上梳理巖石水力壓裂研究的主要內(nèi)容和研究要素,總結(jié)其理論發(fā)展過程及研究結(jié)論。結(jié)合冰蓋結(jié)構(gòu)與冰的物理力學(xué)性質(zhì),根據(jù)平面應(yīng)變問題力學(xué)模型和最大拉應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則建立冰層鉆探孔壁水力起裂壓力理論計(jì)算方程,并變換為起裂壓力——深度曲線方程。利用MATLAB軟件編制水力壓裂起裂判斷程序,以及孔壁附近應(yīng)力、應(yīng)變分布和孔壁應(yīng)變——孔內(nèi)液柱壓力關(guān)系的計(jì)算程序,以此計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變的連續(xù)分布。使用RFPA-2D滲流版(真實(shí)破裂過程模擬程序)模擬不同圍壓即不同深度水力壓裂,得到相應(yīng)的起裂壓力值,和裂縫形態(tài)圖,同時(shí)獲取起裂壓力——深度趨勢線,與理論方程對(duì)比分析。利用改造的油頁巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)凍結(jié)制取的冰樣進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn),分析主要裂縫的發(fā)育規(guī)律,得出對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬各圍壓的水力壓裂壓力曲線并處理得出起裂壓力值,多次實(shí)驗(yàn)取平均,根據(jù)各點(diǎn)平均起裂壓力得出實(shí)驗(yàn)起裂壓力——深度趨勢線,與數(shù)值模擬、理論方程三相對(duì)比分析,給出指導(dǎo)具體冰層狀況的各深度起裂壓力預(yù)測方程。
【關(guān)鍵詞】：冰層鉆探 水力壓裂 起裂壓力 預(yù)測
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P634
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 選題背景及依據(jù)12-15
• 1.1.1 冰蓋概述12-13
• 1.1.2 冰層鉆探的意義13-14
• 1.1.3 冰層鉆探的難題14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線18-20
• 1.3.1 本文的研究內(nèi)容18-20
• 1.3.2 技術(shù)路線20
• 1.4 本章小結(jié)20-21
• 第2章 冰層鉆探孔壁水力壓裂理論研究21-41
• 2.1 水力壓裂基本理論概述21-29
• 2.1.1 起裂壓力研究21-26
• 2.1.2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型的研究26-27
• 2.1.3 地應(yīng)力及其對(duì)水力壓裂的影響27-29
• 2.2 冰蓋構(gòu)造及冰蓋冰物理力學(xué)性質(zhì)29-33
• 2.2.1 冰蓋形成與構(gòu)造30-31
• 2.2.2 冰蓋冰物理力學(xué)性質(zhì)31-33
• 2.3 冰層鉆探孔內(nèi)力學(xué)分析與描述33-37
• 2.3.1 冰層鉆探孔內(nèi)鉆井液狀態(tài)33-35
• 2.3.2 冰層應(yīng)力35-37
• 2.3.3 孔壁壓力差37
• 2.4 基于最大拉應(yīng)變強(qiáng)度理論的破裂準(zhǔn)則37-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 第3章 冰層鉆探孔壁水力壓裂計(jì)算程序和數(shù)值模擬41-61
• 3.1 冰層鉆探孔壁水力壓裂MATLAB計(jì)算程序41-50
• 3.1.1 MATLAB程序系統(tǒng)41
• 3.1.2 孔壁附近應(yīng)力狀態(tài)41-45
• 3.1.3 MATLAB計(jì)算程序45-50
• 3.2 基于RFPA-2D滲流版的水力壓裂數(shù)值模擬50-59
• 3.2.1 軟件簡介50-52
• 3.2.2 數(shù)值模擬條件52-53
• 3.2.3 不同深度破裂壓力數(shù)值模擬53-59
• 3.3 本章小結(jié)59-61
• 第4章 冰層鉆探孔壁水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)61-77
• 4.1 水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)61-64
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成61-63
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)63-64
• 4.2 冰樣水力壓裂實(shí)驗(yàn)64-75
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)方案和流程64-66
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容66
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析66-75
• 4.3 本章小結(jié)75-77
• 第5章 結(jié)論與展望77-80
• 5.1 結(jié)論77-78
• 5.2 展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-85
• 作者簡介及在學(xué)期間所取得的科研成果85-86
• 致謝86

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本文編號(hào)：483557