水力壓裂垂直裂縫形態(tài)及縫高控制數(shù)值模擬研究

《水力壓裂垂直裂縫形態(tài)及縫高控制數(shù)值模擬研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論水力壓裂垂直裂縫形態(tài)及縫高控制數(shù)值模擬研究作者姓名：學(xué)科專業(yè)：導(dǎo)師姓名：完成時(shí)間：王瀚固體力學(xué)劉合教授王秀喜教授二O一三年五月文㈣UniversityofS‘a(chǎn)ndTechnolog、ofChinacienceandenologynaAdissertationfordoctor’SdegreeANumericalStudyonVerticalHydraulicFractureConfigurationandFractureHeightControlAuthor’SName：HanWangspeciality：solidmechan

2、lcsl■●●'●^●Supervisor：Prof．HeLiuProf．XiuxiWangFinishedtime：May，2013中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明。作者簽名：j鼙簽字日期："1夕13．S．3＼中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明作為申請(qǐng)學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有

3、權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》等有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。面公開(kāi)口保密(——年)作者簽名：簽字日期：蔓鯰竺暨：堇：叢導(dǎo)師簽名：簽字日期：圣!!蘭!等!聲／摘要水力壓裂是油田增產(chǎn)的最主要技術(shù)措施之一。地層條件不同，水力壓裂形成的裂縫可能是水平縫，也可能是垂直縫。對(duì)于垂直裂縫，其三維形態(tài)，尤其是裂縫的高度以及在地層中的穿層情況，直接影響壓

4、裂效果，是工程師非常關(guān)心的問(wèn)題。本文以大型有限元軟件ABAQUS為平臺(tái)，模擬了地層中的水力壓裂過(guò)程，重點(diǎn)研究了多種影響裂縫形態(tài)和縫高控制的因素，對(duì)水力壓裂設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義。本文從介紹水力壓裂的概念以及水力壓裂的作用出發(fā)，綜述了國(guó)內(nèi)外水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的歷程，回顧了模擬水力壓裂的各種模型，介紹了相關(guān)的巖石力學(xué)理論和水力壓裂涉及到的多種問(wèn)題(近井筒效應(yīng)，支撐劑的選擇，頁(yè)巖氣體積壓裂等)。通過(guò)說(shuō)明垂直裂縫縫高控制的重要性和前人對(duì)縫高控制的研究，解釋了本文的研究?jī)?nèi)容和意義。油藏通常都是多孔介質(zhì)，可以看成是由固體骨架和骨架之間的孔隙組成的結(jié)構(gòu)，采用Te

5、rzaghi有效應(yīng)力原理實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)變形和滲流之間的耦合。總結(jié)了巖石固體骨架變形和孔隙流體滲流流動(dòng)的基本方程組和邊界條件，以及相應(yīng)的瞬態(tài)有限元求解列式，該列式是本文模擬的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。采用帶有孔隙壓力的cohesive單元模擬裂縫的行為，介紹了裂縫的起裂準(zhǔn)則和擴(kuò)展準(zhǔn)則，引入無(wú)量綱的損傷因子表征裂縫起裂之后單元的損傷情況(單元?jiǎng)偠鹊耐嘶?。流體在裂縫中的流動(dòng)是線性的，切向流動(dòng)的速率與縫內(nèi)壓力梯度成正比，法向流動(dòng)的速率與裂縫中心和裂縫上下表面的壓差成正比。闡述了線彈性模型和粘彈性模型的基本理論以及一種典型的粘彈性模型——標(biāo)準(zhǔn)線性固體的本構(gòu)關(guān)系。說(shuō)明了處理支撐劑濃度

6、的方法，將支撐劑濃度分布對(duì)壓裂的影響表征為壓裂液粘性的變化。建立二維平面應(yīng)變模型，模擬水力壓裂過(guò)程中裂縫的垂向擴(kuò)展過(guò)程。二維模型，有計(jì)算成本低，耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)模擬大慶油田一口油井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際壓裂過(guò)程，得到井底壓力，引用計(jì)算摩阻的經(jīng)驗(yàn)公式，推算出井口壓力，它與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的井口壓力演化吻合良好，驗(yàn)證了二維模型的可行性和合理性。采用該模型模擬了三層地層(一個(gè)產(chǎn)層夾在上下隔層中間)的地質(zhì)參數(shù)對(duì)裂縫高度的影響，結(jié)果表明，高地應(yīng)力、低彈性模量和高抗拉強(qiáng)度的隔層會(huì)使得裂縫高度減小，能很好的限制裂縫穿層。建立全三維模型，研究水力壓裂過(guò)程中裂縫的三維形態(tài)和多種參數(shù)對(duì)裂縫形態(tài)

7、和縫高控制的影響，包括：(1)多層地層中的水力壓裂。首先通過(guò)模擬一IZl現(xiàn)場(chǎng)油井的壓裂過(guò)程，對(duì)比模擬得到的井底縫口壓力曲線和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的曲線，驗(yàn)證了三維模型的可靠性。然后對(duì)多產(chǎn)層和隔層交替出現(xiàn)的油藏中的水力壓裂過(guò)程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，較高摘要的隔層地應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度以及較小的彈性模量會(huì)使得裂縫高度減小，長(zhǎng)度增大，原因是地層的地應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對(duì)裂縫張開(kāi)起到阻礙作用；而彈性模量越大則縫寬越小，裂縫對(duì)流體流動(dòng)的抵制作用增強(qiáng)，流體壓力增大，裂縫高度就越大。由于產(chǎn)層和隔層的交替出現(xiàn)，裂縫的橫截面形態(tài)呈現(xiàn)波浪形。(2)巖石孔隙度和泥質(zhì)含量對(duì)水力壓裂的影響。根據(jù)線彈性體波速

8、與彈性參數(shù)的關(guān)系，以及前人基于實(shí)驗(yàn)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)擬合的波速與孔隙度和泥