【摘要】：大量的施工實(shí)踐工程發(fā)現(xiàn),頁(yè)巖氣、石油、煤層氣等化石能源的開采與巖石內(nèi)部微裂隙的存在與擴(kuò)展息息相關(guān),裂縫內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度越高,越有益于石油天然氣等化石資源的開發(fā)。因此,研究巖石斷裂阻力、裂隙起裂及擴(kuò)展失穩(wěn)過(guò)程,對(duì)油氣井工程和巖體工程設(shè)計(jì)與施工具有重大價(jià)值與意義。一直以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為應(yīng)力強(qiáng)度因子完全描述了裂紋尖端的奇異應(yīng)力場(chǎng),應(yīng)力強(qiáng)度因子是控制巖石等材料裂紋擴(kuò)展的唯一一個(gè)參數(shù)。近年來(lái)的研究結(jié)果表明,裂紋尖端的奇異應(yīng)力場(chǎng)函數(shù)更高階項(xiàng)同樣具有很大影響作用,即Williams級(jí)數(shù)解展開式中平行于裂紋面的應(yīng)力,該應(yīng)力為一常數(shù),它被認(rèn)為是顯著影響裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的參數(shù)。論文根據(jù)實(shí)際工程問(wèn)題,從巖石斷裂韌性理論分析入手,尋求最佳的數(shù)值模擬、巖石Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂測(cè)試及裂紋擴(kuò)展角的預(yù)測(cè)方法,促進(jìn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層高效優(yōu)質(zhì)的水力壓裂和開發(fā)。本文首先通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ABAQUS來(lái)計(jì)算不同支撐點(diǎn)間距、裂紋傾角、預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的三點(diǎn)彎曲半圓盤試樣的斷裂參數(shù),并通過(guò)對(duì)中心直裂紋巴西圓盤的數(shù)值解與解析解的對(duì)比,證實(shí)了數(shù)值計(jì)算的可靠性;然后詳細(xì)介紹了半圓盤試件的加工流程、加工尺寸及三點(diǎn)彎曲裝置的要求,對(duì)半圓盤頁(yè)巖試樣加載得到了龍馬溪組頁(yè)巖的復(fù)合型斷裂韌性及裂紋初始起裂角;最后,將常規(guī)的最大周向應(yīng)力擴(kuò)展準(zhǔn)則和考慮T應(yīng)力的修正最大周向應(yīng)力裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則的理論預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性。結(jié)論及成果如下:(1)特定支撐點(diǎn)間距S情況下,無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子YⅠ隨相對(duì)裂紋長(zhǎng)度的增大而增大;在相對(duì)裂紋長(zhǎng)度一定的情況下,無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子YⅠ隨支撐點(diǎn)間距的增大逐漸增大;相對(duì)裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng),無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子增幅越大,若相對(duì)裂紋長(zhǎng)度過(guò)大,會(huì)增大斷裂韌性測(cè)試結(jié)果的誤差;因此本文建議相對(duì)裂紋長(zhǎng)度a/R取0.2～0.6之間。當(dāng)相對(duì)裂紋長(zhǎng)度a/R≤0.5時(shí),無(wú)量綱T應(yīng)力均為負(fù)值;無(wú)量綱T應(yīng)力隨著相對(duì)裂紋長(zhǎng)度增大,先減小后增大;(2)龍馬溪組頁(yè)巖的斷裂韌性物理實(shí)驗(yàn)表明:不同裂紋角度頁(yè)巖試樣斷裂載荷分布范圍為3.27kN～10.92kN,隨著裂紋傾角的增大,半圓盤頁(yè)巖試樣承受最大載荷逐漸增大,龍馬溪組頁(yè)巖純Ⅰ型斷裂韌性為1.13～1.38MPa√m,純Ⅱ型斷裂韌性為0.55～0.62MPa√m,不同傾角裂紋巖樣T應(yīng)力的變化范圍為-0.49～9.48MPa;(3)對(duì)于純Ⅰ型斷裂,如果不考慮T應(yīng)力影響情況下,使用傳統(tǒng)的最大周向應(yīng)力裂紋擴(kuò)展判別準(zhǔn)則判斷Ⅰ型斷裂時(shí),則裂縫沿預(yù)制裂紋方向擴(kuò)展;如果考慮T應(yīng)力影響的情況下,裂紋擴(kuò)展路徑將發(fā)生偏折;傳統(tǒng)MTS判據(jù)未考慮T應(yīng)力的影響,預(yù)測(cè)起裂角存在很大誤差,特別是在β45°時(shí),誤差更大;對(duì)斷裂韌性的預(yù)測(cè)同樣具有較大誤差,特別是在KⅡ占主導(dǎo)地位時(shí),誤差更大;對(duì)于Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂韌性,膨脹角和斷裂韌性取決于T應(yīng)力的大小,負(fù)T應(yīng)力會(huì)降低裂紋起裂角,斷裂韌性增加。相反,正的T應(yīng)力會(huì)增大裂紋起裂角,斷裂韌性減小;(4)經(jīng)典的斷裂準(zhǔn)則僅考慮Williams展開式的奇異項(xiàng),忽略了更高階項(xiàng)系數(shù),造成預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在很大誤差。通過(guò)將引入T應(yīng)力修正的最大周向應(yīng)力裂紋擴(kuò)展判別準(zhǔn)則(GMTS),與經(jīng)典的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則(MTS)相對(duì)比,研究T應(yīng)力對(duì)巖石斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展角的影響;然后基于GMTS準(zhǔn)則,對(duì)不同傾角裂紋頁(yè)巖試件的起裂角和斷裂韌性進(jìn)行預(yù)測(cè),并與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,T應(yīng)力對(duì)巖石裂紋的斷裂角及斷裂韌性具有很大影響,特別是在Ⅱ型斷裂占主導(dǎo)地位時(shí)影響更加顯著,GMTS準(zhǔn)則能夠更好的預(yù)測(cè)巖石Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋初始擴(kuò)展角及斷裂韌性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE311

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本文編號(hào)：2341039