【摘要】：水力壓裂作為一種有效的巖體壓裂改造方法,在頁巖氣等非常規(guī)油氣開采領域有著廣闊的應用前景。但是由于頁巖中天然缺陷導致的各向異性,使水力裂隙網(wǎng)絡的擴展變得異常復雜;同時,水力壓裂注射位置選擇不當也會引起頁巖儲層中的斷層活化,形成明顯的微震效應。因此,研究水力壓裂誘導含天然缺陷頁巖裂隙擴展機制及應用具有重要的現(xiàn)實意義。本文采用現(xiàn)場調研、實驗室試驗、數(shù)值計算、理論分析相結合的研究方法,圍繞天然缺陷參數(shù)對頁巖破裂作用的敏感性、水力裂隙與天然缺陷互饋力學效應、水力裂隙網(wǎng)絡的擴展規(guī)律、壓裂中微震效應的發(fā)生機制以及壓裂注射位置優(yōu)化設計等內容進行了系統(tǒng)地研究,取得以下主要創(chuàng)新性成果:(1)揭示了天然缺陷參數(shù)對各向異性頁巖破裂過程的敏感性規(guī)律。根據(jù)各向異性頁巖力學特征變化,構建了不同顆粒接觸表征礦物組分的離散裂隙網(wǎng)絡模型;研究了天然缺陷強度、內聚力與抗拉強度比、法向和切向剛度以及角度適應范圍對頁巖抗拉強度、劈裂模量、不同種類裂隙數(shù)量和百分比以及破裂模式等方面的敏感性作用;提出了各向異性巖體模型的參數(shù)選取方法。(2)研究揭示了頁巖水力裂隙與天然缺陷的互饋力學效應。探討了不同起裂位置的起裂壓力變化規(guī)律,提出了沿天然缺陷張拉破壞的起裂準則;建立了水力裂隙與天然缺陷的互饋作用力學模型,通過各向異性頁巖水力壓裂試驗驗證了模型的可靠性;基于該模型揭示了侵入角、圍壓差以及天然缺陷摩擦系數(shù)對水力裂隙-天然缺陷互饋的控制規(guī)律;綜合破裂壓力、環(huán)向位移和壓裂效率等特征闡明了頁巖各向異性導致力學效應產(chǎn)生差異性的主要原因。(3)構建了離散裂隙網(wǎng)絡流固耦合模型,揭示了兩類天然缺陷結構參數(shù)對水力裂隙網(wǎng)絡擴展的作用機制�；谔烊蝗毕輲r體流固耦合算法實現(xiàn)了不同種類水力裂隙的追蹤與定位;系統(tǒng)研究了平行天然缺陷方位角、斷續(xù)度、間距、階梯角以及張開度等結構參量對水力裂隙網(wǎng)絡分布和擴展模式的影響,結合水力裂隙網(wǎng)絡的演化規(guī)律探討了壓裂改造效果及主控因素;揭示了圍壓比率和注射速率等條件下交叉天然缺陷對壓裂改造體積、破裂壓力梯度、水力裂隙分布和演化等方面的影響規(guī)律,掌握了交叉天然缺陷密度弱化上述影響的內在機制。(4)實現(xiàn)了水力壓裂擴展過程中斷層活化和微震效應的定量評估,提出了含斷層缺陷頁巖最佳注射位置優(yōu)化設計方法。引入矩張量方法計算微震事件震級,構建了用于評價水力裂隙網(wǎng)絡擴展的微震效應模型,提出同一微震事件時空判別準則,并通過試驗數(shù)據(jù)和理論公式驗證了模型的可靠性;定量分析了注射位置的選取對斷層滑移距離、斷層活化范圍、鉆孔注射壓力、微震事件量級分布、累計頻率以及所包含裂隙數(shù)量的影響,并分析了注射位置選取的合理性。研究成果對完善非常規(guī)油氣儲層裂隙擴展理論,指導水力壓裂工業(yè)化生產(chǎn)設計具有重要意義,論文的研究思路和部分內容還可為解決煤礦中堅硬頂板的預裂及弱化、煤層瓦斯增透抽采及治理等問題提供一定的參考,同時,在深源地熱開發(fā)領域也有一定的借鑒作用。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE377
【圖文】：

（a）頁巖中的天然缺陷 （b）復雜裂隙網(wǎng)絡圖 1-2 頁巖中天然缺陷分布與離散裂隙網(wǎng)絡re 1-2 Distribution of naturally occurring discontinuities (NOD) and discrete fracture ne(DFN) in rock mass.2 選題意義

圖 1-3 水力裂隙起裂和垂直擴展物理試驗[65]Figure 1-3 Modeling hydraulic fracture initiation and propagation by physical experiment[65]Deng 等[66]基于真三軸水力壓裂實驗臺研究了含天然缺陷儲層中定向水力壓裂的起裂和擴展規(guī)律。同時考慮了注射切口角度，切口長度和注射速率對定向水力壓裂的影響。實驗研究結果表明，不平衡力與壓裂之間存在很好的相關性，并

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 蔡路;姚艷斌;張永平;魏寧;楊艷磊;劉志華;;沁水盆地鄭莊區(qū)塊煤儲層水力壓裂曲線類型及其地質影響因素[J];石油學報;2015年S1期

2 Mambou Ngueyep Luc Leroy;Ndop Joseph;Ndjaka Jean-Marie Bienvenu;;Redistribution and magnitude of stresses around horse shoe and circular excavations opened in anisotropic rock[J];International Journal of Mining Science and Technology;2015年04期

3 魏元龍;楊春和;郭印同;劉偉;王磊;衡帥;;單軸循環(huán)荷載下含天然裂隙脆性頁巖變形及破裂特征試驗研究[J];巖土力學;2015年06期

4 馮宇;姜福興;翟明華;王博;郭信山;成功;;煤層定點水力壓裂防沖的機制研究[J];巖土力學;2015年04期

5 程亮;盧義玉;葛兆龍;丁紅;鐘定云;;傾斜煤層水力壓裂起裂壓力計算模型及判斷準則[J];巖土力學;2015年02期

6 衡帥;楊春和;郭印同;王傳洋;王磊;;層理對頁巖水力裂縫擴展的影響研究[J];巖石力學與工程學報;2015年02期

7 李芷;賈長貴;楊春和;曾義金;郭印同;衡帥;王磊;侯振坤;;頁巖水力壓裂水力裂縫與層理面擴展規(guī)律研究[J];巖石力學與工程學報;2015年01期

8 姜福興;王博;翟明華;郭信山;黃廣偉;黃俊銳;;煤層超高壓定點水力壓裂防沖試驗研究[J];巖土工程學報;2015年03期

9 許露露;崔金榜;黃賽鵬;湯繼丹;蔡路;喻鵬;;煤層氣儲層水力壓裂裂縫擴展模型分析及應用[J];煤炭學報;2014年10期

10 王濤;高岳;柳占立;王永輝;楊立峰;莊茁;;基于擴展有限元法的水力壓裂大物模實驗的數(shù)值模擬[J];清華大學學報(自然科學版);2014年10期

相關博士學位論文 前1條

1 黃炳香;煤巖體水力致裂弱化的理論與應用研究[D];中國礦業(yè)大學;2009年

本文編號：2714136