水力壓裂作為一種利用高壓流體對地下致密巖層進(jìn)行壓裂改造提高巖石孔隙度和滲透性的物理力學(xué)方法,在油氣開采、地?zé)豳Y源開發(fā)、放射性核廢料處置以及地應(yīng)力測量等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用�，F(xiàn)有水力壓裂技術(shù)的成熟應(yīng)用大幅提升了頁巖氣開采產(chǎn)能,改變了世界能源格局,但工程現(xiàn)場仍面臨地層突破壓力（破裂壓力）大,壓裂效果不理想等問題。如何在保證壓裂效果的同時(shí)降低大深度儲(chǔ)層中面臨的高破裂壓力,從而降低注壓系統(tǒng)的負(fù)載和壓裂成本是壓裂設(shè)計(jì)工程師和研究學(xué)者們亟需解決的問題。這需要對巖石水力壓裂的力學(xué)機(jī)理和諸多影響因素,如巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)、壓裂液的黏度和注射方式、注壓井筒尺寸以及巖石中的天然裂縫進(jìn)行深入討論。本文以低滲透巖石為研究對象,基于離散元方法在巖土體力學(xué)分析計(jì)算中的優(yōu)勢,選用PFC^2D5.0程序,通過單軸壓縮和巴西劈裂數(shù)值模擬試驗(yàn)校準(zhǔn)標(biāo)定模型微觀參數(shù),建立與研究對象相同物理力學(xué)性質(zhì)的離散顆粒集合模型。在Cundall流固耦合理論的基礎(chǔ)上考慮巖石的滲透性和飽和情況編寫算法重現(xiàn)巖石水力壓裂過程,通過數(shù)值模擬不同地應(yīng)力比條件下巖石水力壓裂過程驗(yàn)證算法的可靠性,并開展了一系列數(shù)值模擬試驗(yàn)討論... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

018年我國各類能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)圖

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文3重復(fù)壓裂、水力噴射壓裂以及分支井壓裂等多種壓裂技術(shù)，特別是水平井多級水力壓裂技術(shù)，2000年美國頁巖氣年產(chǎn)量為122×108m3，在該技術(shù)成功應(yīng)用后，頁巖氣產(chǎn)量快速增長，2017年美國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到4620×108m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的50%以上[5]。由此可見，水力壓裂技術(shù)在頁巖氣開采中的重要性。圖1-2水平井多級水力壓裂示意圖近年來，中國頁巖氣勘探開發(fā)正在不斷地快速推進(jìn)，并在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要突破。2018年，我國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到108.81×108m3，同比增長了21%，占國內(nèi)天然氣總產(chǎn)量比重的6.74%。然而與美國頁巖氣發(fā)展歷程相比，我國頁巖氣勘探開發(fā)正處于快速發(fā)展的初級階段。我國已在四川盆地內(nèi)部埋藏深度小于3500m的頁巖氣儲(chǔ)層中形成一套較為成熟的鉆完井和水力壓裂技術(shù)。與美國主要勘探開發(fā)埋深小于3500m頁巖氣資源不同，我國頁巖氣資源分布范圍較廣，丘陵、低山、平原以及戈壁地區(qū)均有分布，地表環(huán)境差異較大，且儲(chǔ)層的埋藏深度大地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國埋藏深度大于3500m的頁巖氣資源占比達(dá)到65%以上。現(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)在應(yīng)用到塔里木盆地和四川盆地埋深大于3500m的儲(chǔ)層時(shí)，地層突破壓力比較高，配套的設(shè)備和工具無法滿足高壓作用要求，同時(shí)儲(chǔ)層改造后頁巖氣試采產(chǎn)量偏低，增產(chǎn)效果不理想，未達(dá)到預(yù)期的高產(chǎn)值，相對于高昂的鉆完井和壓裂投入，根本無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化開采[6]。頁巖氣儲(chǔ)層復(fù)雜的地表環(huán)境和地質(zhì)條件對開采技術(shù)提出了更高的要求，因此，我們的科研工作者和工程師需要在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上探索出適合自身?xiàng)l件的頁巖氣開采壓裂技術(shù)。水力壓裂技術(shù)在頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，造就了“北美頁巖氣盛世”，并

第一章緒論4將世界天然氣資源總量提高了47%。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水力壓裂技術(shù)在地?zé)豳Y源的開發(fā)利用、放射性核廢料的處置以及老舊油田的增產(chǎn)改造等領(lǐng)域的應(yīng)用也被廣泛開展。干熱巖地?zé)豳Y源作為一種清潔高效的可持續(xù)可再生能源，在全球氣候變化和能源需求日益劇增的大背景下，已成為世界各國重點(diǎn)研究開發(fā)的新能源。1970年美國拉斯阿莫斯國家實(shí)驗(yàn)室提出了一種干熱巖地?zé)崮荛_采技術(shù)并命名為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（enhancedgeothermalsystem,EGS），即通過向地下低孔、低滲的干熱巖層中進(jìn)行高壓水注射，將其改造成滲透性較高且相互連通的人工熱儲(chǔ)，然后采用水或二氧化碳等介質(zhì)循環(huán)提取巖層中的熱能，并將其用于地表發(fā)電和供暖[7]。隨后世界上多個(gè)國家相繼開展了一系列EGS研究開發(fā)項(xiàng)目。中國地質(zhì)調(diào)查局和中國科學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)對我國干熱巖資源儲(chǔ)量進(jìn)行評估，認(rèn)為我國具有非常大的干熱巖資源潛力。水力壓裂技術(shù)作為EGS儲(chǔ)層改造核心技術(shù)，對于推動(dòng)EGS發(fā)展和商業(yè)化開采至關(guān)重要。圖1-3增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[2]目前，無論是在頁巖氣的勘探開發(fā)、還是干熱巖地?zé)豳Y源的開采中，水力壓裂作為核心技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。與美國等西方國家相比，我國自然資源的埋藏環(huán)境和開采條件更為復(fù)雜，同時(shí)對于水力壓裂技術(shù)的研究和應(yīng)用我們?nèi)蕴幱谔剿麟A段，為了加快我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、生態(tài)文明建設(shè)以及保障能源安全，探索出適合我國自身?xiàng)l件的開采技術(shù)至關(guān)重要。1.1.2研究目的利用水力壓裂技術(shù)對儲(chǔ)層進(jìn)行增透改造，當(dāng)儲(chǔ)層埋藏深度較大時(shí)，地層的突破壓力（即巖石水力壓裂的破裂壓力）隨之增大。高突破壓力對地面注壓系統(tǒng)的


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