基于粘聚型裂纹岩体水力压裂过程模拟研究

摘要

水力压裂技术具有广阔的应用背景，文章综述了岩石断裂力学以及水力压裂数值模拟的国内外研究现状；简要概括了岩体介质的基本理论和断裂力学基础；介绍了孔隙度、饱和度、有效应力、渗透性等岩体参数；简述了断裂力学中三种基本裂纹的类型、裂纹的尖端场、位移场以及线弹性裂纹断裂准则；详细分析了渗流-应力流固耦合的机理、多孔介质中流体的渗流规律以及应力平衡方程和渗流连续方程；介绍了孔压粘聚单元模型、粘聚定律、粘聚单元结构以及粘聚裂纹的本构关系。
　　针对岩体水力压裂的裂纹扩展问题，基于Cohesive单元建立了二维孔压粘聚型裂纹模型，采用二次应力失效断裂准则及临界能量释放率裂纹扩展准则，判断裂纹起裂扩展规律，建立了一种新的岩体水力压裂数值分析方法。对不同压裂液粘度和岩体弹性模量条件下的裂纹扩展形态进行了模拟，分析了压裂液粘度对裂纹面压力梯度及裂纹形态的影响，不同弹性模量岩体中裂纹的扩展形态。建立了三维粘聚孔压力模型，对两条平行的岩体裂纹进行压裂模拟，得到了弹性模量和注入速率对平行裂纹扩展形态的影响。
　　通过模拟并对结果进行分析：压裂液粘度越大，水压沿着裂纹面下降的速度越快；临界宽度和临界长度是判断裂纹做为孔隙通道还是导流通道的重要依据；适当增加压裂液粘度会扩宽裂纹长度和宽度；岩体弹性模量越大，裂纹越细长；弹性模量越小，裂纹越宽短。弹性模量较大的岩体裂纹在平行压裂过程中，处于主导地位，其决定裂纹的扩展形态。压裂液注射速率越快，岩体裂纹越长，且增长值比较明显，说明压裂速度是影响裂纹形态的一个重要因素。

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1绪论

1.1 水力压裂法的广阔应用背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 创新点

1.5 技术路线

2 水力压裂数值模拟的理论基础

2.1 引言

2.2 断裂力学原理

2.3 水力压裂流固耦合

2.4 本章小结

3 粘聚单元模型

3.1 引言

3.2 粘聚单元简介

3.3 孔压粘聚型裂纹模型

3.4 粘聚定律

3.5 ABAQUS中的粘聚单元模型

3.6粘聚模型有限元分析实例。

3.7 本章小结

4 粘聚型水力压裂裂缝扩展数值模拟

4.1 引言

4.2 ABAQUS有限元软件简介

4.3 ABAQUS有限元软件在岩石工程中的数值模拟优势

4.4 ABAQUS的一般分析过程

4.5 ABAQUS流固耦合数值模拟重要的相关命令介绍

4.6 地应力平衡

4.7 本章模型建立理论基础

4.8 水力压裂过程的二维模拟

4.9 三维双孔压粘聚裂纹的数值模拟计算

4.10 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

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