頁巖的巖石力學性能決定著儲層體積壓裂所形成的裂縫網(wǎng)絡結構的復雜程度,以及頁巖氣生產(chǎn)過程中流-固耦合作用的強弱。考慮頁巖孔隙-裂隙介質的變形場對頁巖氣滲流場的影響,可以更為深入地揭示頁巖氣的滲流規(guī)律,從而建立較為準確的產(chǎn)能預測計算模型。本研究針對頁巖氣藏壓裂水平井流-固耦合非線性滲流問題,開展了頁巖巖石力學性能的實驗分析、頁巖氣多尺度非線性滲流理論模型的建立,以及水平井產(chǎn)能的數(shù)值計算等方面的系統(tǒng)研究,主要內容和成果如下:(1)通過巴西圓盤實驗分析了頁巖的抗拉強度、彈性模量和斷裂韌性等巖石力學性能。首先采用彈性平面問題的復應力函數(shù)方法,獲得了任意對稱分布載荷作用下圓盤應力和位移的級數(shù)解。同時針對含預制裂紋圓盤,結合權函數(shù)方法給出了裂紋尖端的應力強度因子表達式。進而,以此為間接實驗分析的理論基礎,研究了接觸壓力分布形式和摩擦力作用對實驗測試結果的影響。此外,考慮了頁巖的初始非線性彈性效應對圓盤接觸壓力分布形式的影響。基于廣義變分原理和載荷增量方法,計算了接觸壓力的分布,得到了與實驗測試數(shù)據(jù)相一致的結果,指出了線性彈性和非線性彈性圓盤的接觸壓力分布形式特征的差異。(2)針對頁巖氣藏壓裂水平井,分析了頁巖氣生產(chǎn)程中的流-固耦合作用機理�？紤]支撐劑嵌入效應的影響,建立了考慮初始地應力、壓裂縫方位和支撐劑鋪置層數(shù)等因素的壓裂縫網(wǎng)等效固有滲透率模型;考慮孔隙介質彈性變形效應的影響,給出了基質固有滲透率修正模型;考慮游離氣的Fick擴散和Knudsen擴散效應,以及吸附氣的表面擴散效應,建立了頁巖氣多尺度滲流的等效滲透率模型。數(shù)值計算分析了流-固耦合作用強弱的影響因素,以及各種非線性效應對頁巖氣滲流的影響。(3)基于壓裂過程中的能量衰減規(guī)律,提出了適用于全流場的等效孔隙度和等效固有滲透率空間非均勻分布模型,建立了頁巖氣藏壓裂水平井流-固耦合作用下的非均勻、非線性和非穩(wěn)態(tài)三維滲流數(shù)學模型,并發(fā)展了相應的半解析-半數(shù)值計算方法。通過與文獻中的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比,驗證了本研究數(shù)學模型的適用性以及半解析-半數(shù)值計算方法的正確性。(4)數(shù)值模擬并預測了我國西南地區(qū)典型頁巖氣藏水平生產(chǎn)井的產(chǎn)量,計算結果與現(xiàn)場實際記錄數(shù)據(jù)基本一致。另外,數(shù)值分析了初始地應力、支撐劑鋪置層數(shù)、彈性模量、Biot系數(shù)等流-固耦合作用參數(shù),以及Knudsen擴散、表面擴散和解吸等效應對頁巖壓裂水平井產(chǎn)量的影響。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O357.3;TE328
【部分圖文】：

確定圓盤試樣的力學性能至關重要。逡逑巴西圓盤最早被應用在脆性材料抗拉強度的測試中。在１９５３年，Ｃａｒｎｅｉｒｏ逡逑和Ｂａｒｃｅｌｌｏｓ１９１通過一對平行鋼板對巴西圓盤進行加載，如圖１－１（０所示，從而逡逑間接確定脆性材料的抗拉強度。這Ｍ采川ＨｅｒｔｚＭ給出的二維圓盤在徑向對逡逑稱集中載荷作用下（見閣ｌ－ｌ（Ａ））的應力解作為其理論基礎。近期，Ｗａｎｇｌ１１１逡逑等通過相同的圓盤實驗，Ｍ時結合聲r洳饈約際�，测得翣q饗蛞煨圓牧顯阱義喜煌較蟶系目估慷�。此外，…对Ｎ柱形钢誊Q脖揮美炊園臀髟才蹋椋煸兀玻保義先繽跡歟歟ǎ猓┧盡Ｓ啥≡睪勺鞔ǘ捉閑�，译E狹街旨釉胤絞餃菀自斐裳沂義鮮匝紫仍詡釉厙蚋澆蘋擔傭跋焓笛椴饈緣木�。辶x獻魑臀髟才淌笛櫚摹指慕�，�

本文編號：2826426