隨著我國煤炭石油等傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日趨緊張以及環(huán)保壓力的逐漸增加,作為一種新型清潔能源,頁巖氣發(fā)揮著越來越大的作用。我國頁巖氣儲(chǔ)量十分豐富,分布區(qū)域廣泛,開采潛力巨大,但頁巖氣儲(chǔ)層一般具有 低孔低滲‖特點(diǎn),需要經(jīng)過大規(guī)模水力壓裂,進(jìn)行體積改造,才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采。我國頁巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜多變、埋深較大,目前無法對地層深部水力裂縫的擴(kuò)展過程以及裂縫形態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測,再加上對體積改造機(jī)理缺乏深入的認(rèn)識(shí),雖然部分頁巖氣井已實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采,但施工過程仍具有盲目性,造成了一定的資源浪費(fèi),因此掌握頁巖氣藏水力壓裂裂縫延伸規(guī)律,研究水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理,分析影響裂縫擴(kuò)展的主要因素等具有重要意義。本文以龍馬溪組頁巖為研究對象,開展了頁巖基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)、本構(gòu)模型、儲(chǔ)層可壓性評價(jià)、大型室內(nèi)水力壓裂物理模擬試驗(yàn)及相關(guān)理論研究,主要內(nèi)容如下:(1)頁巖各向異性特征:通過SEM電鏡掃描以及X射線衍射技術(shù),分析了頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征以及礦物組分特征,發(fā)現(xiàn)頁巖內(nèi)部含有大量微裂隙和微孔隙,頁巖中以石英為主的脆性礦物含量高達(dá)75.42%,可壓性較高;通過對不同層理傾角下的頁巖進(jìn)行波速測試、單三軸壓縮試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)頁巖的波速特征、應(yīng)力應(yīng)變曲線、變形特征、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、破壞模式、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性等物理力學(xué)性質(zhì)均具有明顯的各向異性特征,分析認(rèn)為產(chǎn)生各向異性的根源是層狀沉積結(jié)構(gòu)和層理間的弱膠結(jié)作用;(2)本構(gòu)模型:基于不同加載速率下頁巖的高圍壓三軸壓縮試驗(yàn),充分考慮損傷變量的變化規(guī)律,以屈服應(yīng)力為界,改進(jìn)了新的微元強(qiáng)度度量方法,建立了高圍壓下頁巖的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型,并對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證和討論;(3)脆性特征:基于頁巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,采用脆性跌落系數(shù)、應(yīng)力降系數(shù)和軟化模量等,建立了脆性評價(jià)綜合指標(biāo),通過頁巖的基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了其適用性,發(fā)現(xiàn)頁巖脆性較高,屬于高可壓性地層,脆性指標(biāo)隨著圍壓的增加而降低,降低速度逐漸減小,頁巖脆性具有明顯的各向異性特征,相同圍壓下層理傾角為0°和90°的頁巖脆性指數(shù)最高,60°次之,30°最小;(4)水力壓裂試驗(yàn):基于真三軸物理模型試驗(yàn)機(jī)、水力壓裂伺服系統(tǒng)、聲發(fā)射定位系統(tǒng),試驗(yàn)前在壓裂液中添加示蹤劑,試驗(yàn)后對試樣進(jìn)行剖切分析和大型工業(yè)CT掃描等方式,建立了一套室內(nèi)頁巖水力壓裂大型物理模擬試驗(yàn)方法以及水力裂縫表征方法,分析了豎直井和水平井壓裂條件下頁巖試樣水力裂縫的延伸與空間分布規(guī)律,并對頁巖壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的各形成機(jī)制進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)井筒末端出水口和層理面的位置關(guān)系、層理面的膠結(jié)程度、天然裂縫的發(fā)育程度與裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成密切相關(guān),層理面膠結(jié)程度適中地層最有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成;在水平井壓裂條件下,對比分析了水力裂縫在頁巖、致密砂巖、介殼灰?guī)r等露頭巖石中的擴(kuò)展規(guī)律,揭示了巖性、層理面、天然裂縫、水平地應(yīng)力差、壓裂液排量和粘度等對水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響;(5)裂縫擴(kuò)展斷裂力學(xué)模型:基于含2個(gè)預(yù)制共線裂隙頁巖的單軸壓縮試驗(yàn),研究了含共線閉合裂隙頁巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,從斷裂力學(xué)角度解釋了裂紋起裂的順序,推導(dǎo)了板狀頁巖的脆性斷裂準(zhǔn)則;結(jié)合室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn),從斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)角度,對水平井壓裂條件下水力主裂縫的起裂壓力以及水力裂縫與天然裂縫(層理面)的交互作用進(jìn)行了定量計(jì)算,并給出了交互作用的判據(jù),分析了裂縫的擴(kuò)展機(jī)制和裂縫之間的干擾機(jī)制。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE377
【部分圖文】：

圖 1.1 全球油氣產(chǎn)量發(fā)展趨勢圖Fig.1.1 The production trends of global oil and gas圖 1.2 我國天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量變化圖Fig.1.2 The output and apparent consumption of China natural gas

圖 1.2 我國天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量變化圖Fig.1.2 The output and apparent consumption of China natural gas圖 1.3 世界頁巖氣資源主要分布g.1.3 The main distribution area of shale gas resources in the world

被確定為我國首批實(shí)施頁巖氣勘查工作的目標(biāo)區(qū)。四川盆地寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組頁巖地層也存在著豐富的頁巖氣資源。如圖1.5，2011年國土資源部組織27家單位對我國含氣頁巖層段進(jìn)行了勘測，完成了全國首次頁巖氣資源潛力評價(jià)，評價(jià)稱中國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3，從�。▍^(qū)、市）分布上來看，四川、新疆、重慶頁巖氣含量位居前三，分別為 27.50×1012、16.01×1012和 12.75×1012m3，資源較多的四川、重慶、湖南、貴州、新疆、湖北、陜西等共占全國總資源量的 68.87%[7]。我國頁巖氣具有分布范圍廣、厚度大、埋藏淺、有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度低等特點(diǎn)，適合采用水力壓裂開采

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊志鵬;何柏;謝凌志;李存寶;王俊;;基于巴西劈裂試驗(yàn)的頁巖強(qiáng)度與破壞模式研究[J];巖土力學(xué);2015年12期

2 潘林華;程禮軍;張燁;張士誠;王飛;;頁巖水平井多段分簇壓裂起裂壓力數(shù)值模擬[J];巖土力學(xué);2015年12期

3 王磊;楊春和;郭印同;衡帥;魏元龍;侯振坤;李丹;;基于室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn)的水平井起裂模式研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年S2期

4 侯振坤;楊春和;郭印同;張保平;魏元龍;衡帥;王磊;;單軸壓縮下龍馬溪組頁巖各向異性特征研究[J];巖土力學(xué);2015年09期

5 魏元龍;楊春和;郭印同;劉偉;王磊;徐敬賓;;三軸循環(huán)荷載下頁巖變形及破壞特征試驗(yàn)研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2015年12期

6 陳建國;鄧金根;袁俊亮;閆偉;蔚寶華;譚強(qiáng);;頁巖儲(chǔ)層Ⅰ型和Ⅱ型斷裂韌性評價(jià)方法研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年06期

7 趙金洲;許文俊;李勇明;胡晉陽;李晉秦;;頁巖氣儲(chǔ)層可壓性評價(jià)新方法[J];天然氣地球科學(xué);2015年06期

8 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(yàn)研究[J];巖土力學(xué);2015年06期

9 程萬;金衍;陳勉;張亞坤;刁策;侯冰;;三維空間中非連續(xù)面對水力壓裂影響的試驗(yàn)研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2015年03期

10 衡帥;楊春和;張保平;郭印同;王磊;魏元龍;;頁巖各向異性特征的試驗(yàn)研究[J];巖土力學(xué);2015年03期

本文編號：2808378