本文關(guān)鍵詞：頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂裂縫起裂與擴展研究

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【摘要】：作為無水壓裂技術(shù)的高能氣體壓裂可在井筒周圍形成多條徑向裂縫,實現(xiàn)對頁巖儲層的縫網(wǎng)改造,有利于我國頁巖氣的高效開發(fā)。針對頁巖氣儲層脆性礦物含量高、非均質(zhì)性強和天然裂縫發(fā)育等特征,結(jié)合水平井高能氣體壓裂技術(shù)特點,本研究基于室外實驗和數(shù)值模擬探究頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂裂縫起裂與擴展規(guī)律。整個研究過程將高能氣體壓裂分為應(yīng)力波載荷與高能氣體載荷作用兩個階段。在應(yīng)力波載荷作用階段,基于動力有限元方法,建立了頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂裂縫起裂模型,并與模型的解析解進行了對比分析,驗證了其準(zhǔn)確性,分析了加載速率、峰值壓力以及頁巖力學(xué)參數(shù)對裂縫起裂的影響,并對加載速率與裂縫條數(shù)關(guān)系進行了探討;在高能氣體載荷作用階段,基于質(zhì)量與動量守恒定律,運用擴展有限元方法,建立了頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂裂縫擴展的氣固耦合模型,并與實驗?zāi)M結(jié)果進行了對比驗證,分析了壓力遞減速率、頁巖非均質(zhì)性和天然裂縫與壓裂裂縫幾何形態(tài)關(guān)系。結(jié)果表明:高楊氏模量的儲層易形成窄而長的裂縫,低泊松比、高抗拉強度的儲層易形成窄而短的裂縫。低加載速率、高峰值壓力有利于裂縫的生長,加載速率越大,裂縫起裂壓力越高,裂縫發(fā)生有效擴展的條數(shù)越多;峰值壓力對裂縫起裂壓力、起裂條數(shù)沒有影響。壓力遞減速率是影響裂縫有效擴展的關(guān)鍵因素,減小壓力遞減速率有利于裂縫擴展。頁巖儲層層理普遍發(fā)育,不同層理的物性差異導(dǎo)致裂縫擴展過程中應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生明顯變化;具有高楊氏模量和低泊松比的層理,容易受到主裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的影響,應(yīng)力集中較嚴(yán)重,易產(chǎn)生局部復(fù)雜縫網(wǎng)。高能氣體壓裂裂縫以任意角度與天然裂縫相遇,均會發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力促使天然裂縫發(fā)生剪切滑移形成新的次生裂縫,轉(zhuǎn)向程度與天然裂縫方位、逼近角大小有關(guān)。本文研究結(jié)果可為頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂工藝設(shè)計、參數(shù)控制及優(yōu)化提供相關(guān)指導(dǎo),具有重要的理論價值。
【關(guān)鍵詞】：頁巖氣藏 高能氣體壓裂 動態(tài)有限元分析 擴展有限元 裂縫幾何形態(tài)
【學(xué)位授予單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE377
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符號表8-10
• 第一章 緒論10-17
• 1.1 研究的背景及意義10
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 高能氣體壓裂理論研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 高能氣體壓裂裂縫起裂擴展模型研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.3 高能氣體壓裂裂縫數(shù)值模擬研究13-14
• 1.3 研究內(nèi)容及創(chuàng)新點14-17
• 1.3.1 研究內(nèi)容14-15
• 1.3.2 創(chuàng)新點15
• 1.3.3 技術(shù)路線15-17
• 第二章 頁巖氣儲層特征及高能氣體壓裂裂縫擴展模型17-25
• 2.1 頁巖氣儲層特征17-18
• 2.2 液體火藥燃燒規(guī)律18-19
• 2.2.1 液體火藥燃燒規(guī)律18
• 2.2.2 液體火藥燃燒的狀態(tài)方程18-19
• 2.3 高能氣體壓裂裂縫擴展模型19-24
• 2.3.1 假設(shè)條件19-20
• 2.3.2 射孔孔眼泄流模型20-21
• 2.3.3 裂縫擴展分析21
• 2.3.4 裂縫擴展幾何模型21-23
• 2.3.5 裂縫內(nèi)壓力分布23
• 2.3.6 氣體的滲濾模型23-24
• 2.4 小結(jié)24-25
• 第三章 頁巖氣藏水平井高能氣體壓裂裂縫起裂研究25-48
• 3.1 水平井井筒與孔眼應(yīng)力分布25-28
• 3.2 裂縫起裂判據(jù)及頁巖本體起裂的破裂壓力計算模型28-29
• 3.2.1 裂縫起裂判據(jù)28
• 3.2.2 頁巖本體起裂的破裂壓力計算模型28-29
• 3.3 裂縫起裂的動態(tài)有限元分析29-33
• 3.3.1 巖石響應(yīng)的動力學(xué)基本方程29-30
• 3.3.2 Newmark時間積分法30
• 3.3.3 高能氣體壓裂動態(tài)響應(yīng)的有限元求解30-33
• 3.4 實例計算33-37
• 3.4.1 計算模型及網(wǎng)格劃分33-34
• 3.4.2 模型參數(shù)取值34-35
• 3.4.3 求解結(jié)果35-37
• 3.5 影響裂縫起裂與擴展的參數(shù)分析37-43
• 3.5.1 巖石力學(xué)參數(shù)對裂縫起裂的影響37-40
• 3.5.2 加載速率、峰值壓力對裂縫起裂的影響40-43
• 3.6 加載速率對裂縫條數(shù)的影響43-46
• 3.7 小結(jié)46-48
• 第四章 高能氣體壓裂裂縫擴展形態(tài)48-53
• 4.1 實驗設(shè)計48-49
• 4.1.1 實驗裝備及原理48
• 4.1.2 實驗主要材料48-49
• 4.2 實驗結(jié)果及分析49-51
• 4.3 室外實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比51-52
• 4.3.1 模型建立51
• 4.3.2 室外實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比51-52
• 4.4 小結(jié)52-53
• 第五章 頁巖氣藏高能氣體壓裂裂縫擴展規(guī)律研究53-67
• 5.1 高能氣體驅(qū)動裂縫擴展的流固耦合分析53-56
• 5.1.1 高能氣體在裂縫內(nèi)的流動方程53-54
• 5.1.2 巖石變形與流體流動控制方程離散54
• 5.1.3 基于擴展有限元的裂縫描述54-56
• 5.2 高能氣體壓裂壓力加載過程56-57
• 5.2.1 數(shù)值模擬壓力加載過程56-57
• 5.2.2 模型選取57
• 5.3 求解結(jié)果與參數(shù)分析57-61
• 5.3.1 高能氣體驅(qū)動裂縫擴展規(guī)律57-60
• 5.3.2 壓力遞減速率對裂縫擴展的影響60-61
• 5.4 頁巖儲層非均質(zhì)性對裂縫擴展的影響61-64
• 5.5 頁巖內(nèi)天然裂縫對裂縫擴展的影響64-66
• 5.6 小結(jié)66-67
• 第六章 結(jié)論及建議67-68
• 6.1 結(jié)論67
• 6.2 建議67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻69-73
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參與項目73-74

【參考文獻】

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本文編號：1072637