页岩爆燃压裂下裂缝扩展模式数值模拟研究

论文摘要

作为无水压裂技术的爆燃压裂可在页岩储层周围形成多条径向裂缝,实现对页岩储层的缝网改造,有利于我国页岩气的高效开发。针对页岩气储层脆性矿物含量高、非均质性强和天然裂缝发育等特征,结合爆燃压裂技术特点,本研究基于室外实验和数值模拟探究页岩气爆燃压裂裂缝扩展规律。拟采用四川盆地地区页岩为研究对象,在充分借鉴和吸取前人研究成果的基础上,以霍普金森杆压缩试验为基础,得到页岩的相关力学参数并根据试验所得应力应变曲线拟合出合适的页岩力学模型参数,从而运用LS-DYNA模拟出页岩在不同火药量、多级起爆等条件下爆燃压裂裂缝的扩展模式,分析出影响页岩裂缝扩展模式的主要因素,从而为提高单井页岩气产量提供理论依据。主要内容和结论如下:（1）对页岩进行常温、60°C、90°C、120°C、150°C五组温度,0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa三组气压下的霍普金森杆压缩实验,得到了页岩在相同应变率、不同温度下以及相同温度、不同应变率的应力应变曲线。并对页岩进行了CT扫描实验,可得页岩因其内部空隙、裂缝、节理等缺陷的存在,不同应变率下页岩的应力-应变曲线差异较大;在本次实验的温差范围内,随着温度的升高,试件的峰值应力、极限应变无明显变化,温度对页岩的应力-应变曲线没有较大影响。（2）在LS-DYNA软件中选取合适的页岩力学模型,根据页岩霍普金森压缩实验结果,验证模型参数以及选取模型的适用性以及合理性。（3）基于已验证的模型参数,采用LS-DYNA数值模拟,探讨不同火药量、多级脉冲等因素对页岩爆燃压裂下裂缝扩展的影响规律。火药量越高,裂缝的扩展生长越快,但只有选取合适的火药量,才能使裂缝扩展缝网更为合理切不至于由于峰值压力过大而破坏页岩储存;通过多级起爆的方式,可使页岩储层裂缝扩展模式尽可能满足开采需要;单点起爆相对于多点同时起爆能产生的裂缝更长且能产生更多的径向裂缝。本文研究结果可为页岩气藏水平井爆燃压裂工艺设计、参数控制及优化提供相关指导,具有重要的理论价值。

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摘要

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 爆燃压裂技术研究现状

1.2.2 爆燃压裂裂缝扩展数值模拟研究现状

1.2.3 页岩力学行为研究现状

1.3 研究目标与主要研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线

2 页岩力学性能测试

2.1 SHPB实验简介及基本实验工况

2.1.1 SHPB实验装置

2.1.2 SHPB实验的工作过程

2.1.3 SHPB实验的基本假定

2.1.4 SHPB实验的基本工作原理

2.1.5 SHPB实验技术方案

2.1.6 波形整形技术

2.1.7 加温的页岩SHPB实验技术

2.2 页岩试件材料概况

2.2.1 取样概况

2.2.2 样品加工

2.2.3 页岩CT扫描实验及其常规物理力学参数

2.3 实验结果分析

2.3.1 页岩试件典型破坏形态及应力平衡校验

2.3.2 常温下页岩材料的应力-应变曲线

2.3.3 页岩材料的动态抗压强度分析

2.3.4 相同温度、不同应变率结果分析

2.3.5 相同气压、不同温度结果分析

2.4 小结

3 有限元模型的验证

3.1 页岩材料模型

3.1.1 材料模型选取

3.1.2 HJC材料模型参数

3.2 模型验证

3.2.1 有限元模型建立

3.2.2 模型基本参数

3.2.3 波形图及试件破坏模式对比

3.3 页岩模型断裂准则的选取

3.3.1 裂纹的三种基本类型

3.3.2 SHPB数值模拟中断裂准则的选取

3.4 小结

4 页岩爆燃压裂裂缝扩展模式研究

4.1 爆燃压裂加载过程

4.1.1 爆燃压裂数值模拟

4.1.2 模型选取

4.1.3 地层参数信息

4.2 不同火药量对裂缝扩展的影响

4.2.1 有限元模型

4.2.2 不同火药量下裂缝扩展模式分析

4.3 多级压裂对裂缝扩展的影响

4.3.1 有限元模型

4.3.2 多级起爆下裂缝扩展模式分析

4.4 小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 田怡萍

导师: 刘筱玲

关键词: 页岩,霍普金森杆,爆燃压裂,裂缝扩展

来源: 西南科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 石油天然气工业

单位: 西南科技大学

分类号: TE377

总页数: 72

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