為了研究水力壓裂過程中裂縫在儲(chǔ)層中的擴(kuò)展規(guī)律及其擴(kuò)展過程中縫間的相互干擾作用,以cohesive單元為基礎(chǔ)建立數(shù)值模擬簡化模型,研究分析了不同儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)及天然裂縫發(fā)育地層對水力裂縫擴(kuò)展的影響。通過對比發(fā)現(xiàn):在高脆性的儲(chǔ)層中實(shí)施水力壓裂可提高水力裂縫的穿透性,可壓性好;同時(shí)高地應(yīng)力差有助于增加縫長,但對縫寬影響不大;然而在裂縫發(fā)育地層中,較高應(yīng)力差下縫間的相互干擾有利于激活地層中的天然裂縫,進(jìn)而相互連接形成復(fù)雜水力裂縫網(wǎng)絡(luò)。利用水力裂縫擴(kuò)展有限元方法,對不同裂縫參數(shù)以及不同工作制度下裂縫擴(kuò)展軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬,研究分析了裂縫的變化規(guī)律以及縫間的應(yīng)力干擾。通過對比發(fā)現(xiàn):單裂縫時(shí)增加初始裂縫角度,水力壓裂前期裂縫偏轉(zhuǎn)角、縫寬、起裂壓力增加,但壓裂結(jié)束后縫長略微減小;近距離直裂縫同時(shí)壓裂時(shí)縫間應(yīng)力干擾作用明顯,但裂縫起裂初期并未發(fā)生偏轉(zhuǎn),且裂縫直線延伸距離與裂縫間距成正比;近距離斜裂縫壓裂時(shí)縫間會(huì)形成較強(qiáng)的應(yīng)力干擾作用,裂縫尖端出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)或者閉合停止擴(kuò)展,裂縫兩側(cè)延伸路徑呈現(xiàn)非對稱;多裂縫間應(yīng)力干擾區(qū)域的重疊且變化較為劇烈,可改變不同階段裂縫寬度與裂縫擴(kuò)展方向。本文基于ABAQUS平臺進(jìn)行數(shù)值模... 

【文章來源】：西安石油大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

多孔介質(zhì)中結(jié)構(gòu)簡化示意圖

第二章水力壓裂模擬的數(shù)學(xué)模型13當(dāng)多孔介質(zhì)的邊界在受外部載荷時(shí)，固體骨架將會(huì)發(fā)生變形使接觸面處產(chǎn)生有效應(yīng)力。由于多孔介質(zhì)中流體夠承擔(dān)并傳遞壓力，同時(shí)孔隙中流體的流動(dòng)狀態(tài)和壓力都會(huì)發(fā)生改變，其孔隙流體能夠承擔(dān)一部分的外載荷，所以外載荷將由固體承受的應(yīng)力和流體壓力共同承擔(dān)。因此，當(dāng)巖石在承受外部施加的載荷時(shí)，研究孔隙壓力與外載荷間的相互作用是有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)，而水力壓裂過程中出現(xiàn)的滲流場與應(yīng)力場的耦合都要涉及到有效應(yīng)力原理，所以有效應(yīng)力原理對巖土力學(xué)的研究十分重要。圖2-2多孔介質(zhì)有效應(yīng)力示意圖如圖2-2所示，邊界所加載的總應(yīng)力用表示，固體骨架承受的有效應(yīng)力用表示、濕潤流體的平均流體壓力用Pw表示，其它不濕潤流體的平均壓力用Pnw表示，則有效應(yīng)力原理的表達(dá)式為：=[+(1)]（2-1）式中：—有效應(yīng)力，Pa；—總應(yīng)力，Pa；—潤濕相飽和度，無量綱因子；—潤濕相壓力，Pa；—非潤濕相壓力，Pa；—[1，1，1，0，0，0]T單位矩陣。對于Terzaghi有效應(yīng)力表達(dá)式，以及Boit[63]修改后Boit常數(shù)為1時(shí)的有效應(yīng)力表達(dá)式，同式2-1所表述的相等效。式中，總應(yīng)力和有效應(yīng)力為二階張量用矩陣表示，規(guī)定拉應(yīng)力為正，當(dāng)受壓時(shí)孔隙壓力則取正值，為單位矩陣；無量綱因子主要和飽和度和流固耦合界面的表面張力密切相關(guān)，在多孔介質(zhì)中的取值在0至1之間變化。為了水力壓裂過程中計(jì)算模型的進(jìn)一步簡化，假設(shè)整個(gè)模型中的不濕潤相壓力保持恒定，并且相對而言遠(yuǎn)小于濕潤相壓力，因此Pnw可以忽略不計(jì)。當(dāng)油藏處于完全飽和狀態(tài)時(shí)（=0），有效應(yīng)力原理表達(dá)式簡化成如下形式：=（2-2）

第二章水力壓裂模擬的數(shù)學(xué)模型19應(yīng)變間的變化關(guān)系式：=[0+(1)0+]31+1+(1)（2-30）2.3裂縫擴(kuò)展基本方程2.3.1Cohesive單元簡介如圖2-3所示：三維空間中cohesive單元結(jié)構(gòu)可分為三層，每一層會(huì)出現(xiàn)四個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)所表征的模擬參數(shù)不用。采用cohesive單元模擬水力裂縫起裂與延伸時(shí)其單元并不代表真實(shí)的巖石，僅用于簡化模擬巖石破壞時(shí)巖石結(jié)構(gòu)間的作用力。對于模擬水力裂縫在cohesive單元里的起裂與擴(kuò)展過程的中裂縫的擴(kuò)展路徑，只有依賴于cohesive單元網(wǎng)格且擴(kuò)展過程中水力裂縫不能發(fā)生轉(zhuǎn)向，只能按照預(yù)設(shè)的cohesive單元進(jìn)行裂縫的擴(kuò)展延伸。圖2-3三維cohesive單元2.3.2單元的本構(gòu)模型用于描述油藏變形過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型稱之為本構(gòu)模型。當(dāng)油藏巖石處于彈性狀態(tài)時(shí)對地層巖石進(jìn)行有限元分析，此時(shí)巖石變形的本構(gòu)模型其實(shí)就是廣義虎克定律，即：{}=[]{}式中：[]方彈性本構(gòu)矩陣，各向同性線彈性模型的應(yīng)力-應(yīng)變具體表達(dá)式為：{112233121323}=[1/E//000/1/E/000//1/E0000001/G0000001/G0000001/G]{112233121323}（2-31）式中：E—楊氏模量；G—剪切模量；—泊松比；


本文編號：2902830