天然裂缝群干扰下岩石断裂机制研究

论文摘要

与一般理想化模型不同,天然岩体中包含有大量缺陷,天然裂缝作为其中一种大量分布于岩体中。裂缝群的存在会对岩石的力学性质产生不同的影响。目前对于岩石断裂的研究大部分集中于线弹性及弹塑性模型,较少从裂缝群的影响角度研究岩石的断裂问题。本文从受压条件下的天然裂缝群的响应入手,研究了其与岩石部分力学参数之间的关系。而后通过水力压裂室内试验及数值模拟进一步讨论了不同尺度下裂缝群对于岩石受压破坏及油气开采过程中水力压裂效果的影响。首先分析了岩石在单轴压缩条件下内部天然裂缝群的响应,同时建立了新的断裂机制参数LAEP。基于新参数,提出了改进的基于声发射参数的断裂机制识别方法。结合小波分析与LAEP参数在时域上的展开,描述了整个单轴压缩过程中岩石内部裂缝群断裂机制的演化。在此基础之上提出了基于断裂机制演化特征,能够客观评价起裂应力及脆性指数的方法。其次利用声发射监测下的室内水力压裂物理模拟试验,研究了实验室尺度下岩石内微裂缝群在水力作用下的响应以及由此产生的水力裂缝的起裂与扩展问题。通过对天然砂岩岩心的水力压裂物理模拟,研究了常规水力压裂施工中不同围压条件下裂缝群断裂机制的差异。之后通过对不同压裂液粘度条件下人工试样的循环泵注,研究了非常规水力压裂施工中,裂缝群在循环应力作用下的断裂机制。最后利用数值模拟手段研究了单轴压缩及水力压裂过程中,天然裂缝存在对岩石破坏的影响。将泰森多边形与有限元方法结合,利用Cohesive单元实现了对非均质类岩石材料单轴压缩的数值模拟,研究了天然裂缝群存在条件下对岩石破坏过程的影响。同时考虑现场大尺度条件,对天然裂缝群对水力裂缝起裂及扩展的影响进行了数值模拟研究。通过泰森多边形建立了含一定倾角天然裂缝群的地层模型,利用含渗流节点的Cohesive单元模拟水力压裂过程中岩石的断裂行为。在模型基础上此进行了天然裂缝群存在条件下,压裂过程中水力裂缝对地应力等参数的敏感性分析。

论文目录

摘要

ABSTRACT

创新点

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 天然缝群扰动下水力裂缝扩展

1.3.2 非线性断裂力学的引入及裂缝动态监测

1.3.3 现有研究存在的问题

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第2章受压条件下岩石内天然裂缝响应

2.1 受压条件下天然裂缝的起裂

2.2 声发射监测下含天然裂缝岩石单轴压缩试验

2.2.1 声发射监测下单轴压缩试验设置

2.2.2 基于声发射参数的断裂机制识别

2.3 基于断裂机制的起裂应力判定

2.3.1 断裂机制特征分析及起裂点的确定

2.3.2 起裂应力判定方法有效性验证

2.4 基于断裂机制的脆性指数判定

2.4.1 小波分析的应用与断裂机制的识别

2.4.2 岩石破坏过程中断裂机制演化

2.4.3 脆性指数的判定与验证

2.5 含多缝岩石单轴压缩数值模拟

2.5.1 模型及参数设置

2.5.2 天然裂缝存在影响分析

2.6 小结

第3章水力压裂中裂缝群响应试验研究

3.1 常规水力压裂中天然裂缝响应研究

3.1.1 声发射监测下常规水力压裂试验

3.1.2 围压对非线性区域的影响

3.1.3 天然裂缝微破裂事件空间分布

3.1.4 水力压裂过程断裂机制分析

3.2 非常规循环水力压裂过程中天然裂缝响应研究

3.2.1 声发射监测下非常规循环水力压裂试验

3.2.2 水力裂缝首次起裂扩展

3.2.3 循环压裂过程中断裂机制分析

3.3 小结

第4章天然裂缝对岩石破坏影响数值模拟研究

4.1 Cohesive单元与泰森多边形的原理及应用

4.1.1 内聚力模型概要

4.1.2 Cohesive单元基本原理

4.1.3 泰森多边形的原理及构建方法

4.2 含裂缝砂砾岩单轴压缩数值模拟研究

4.2.1 砂砾岩模型构建及参数

4.2.2 天然裂缝存在对岩石破坏的影响

4.3 含天然裂缝群地层水力压裂数值模拟模型建立

4.3.1 含天然裂缝群地层模型建立

4.3.2 地层模型的网格划分

4.3.3 相关材料参数设置

4.3.4 分析步及荷载设置

4.4 含天然裂缝群地层水力压裂影响因素研究

4.4.1 天然裂缝群存在产生的影响

4.4.2 天然裂缝倾角产生的影响

4.4.3 地应力产生的影响

4.5 小结

第5章结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 楼烨

导师: 张广清

关键词: 断裂机制,裂缝群,声发射,水力压裂,单轴压缩

来源: 中国石油大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,地质学,石油天然气工业,建筑科学与工程

单位: 中国石油大学(北京)

分类号: TU45;O346.1;TE357.1

DOI: 10.27643/d.cnki.gsybu.2019.000003

总页数: 161

文件大小: 11974k

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