水压作用下拉剪复合型裂纹启裂特性研究

摘要

水压致裂的研究有两个重要的内容，临界水压的计算和开裂模式的判断，而断裂力学在解决这两个问题上具有一定优势。本文以断裂力学为基础，通过理论结合数值计算，对单裂纹及射孔尖端裂纹的启裂特性进行研究。
　　基于断裂力学最大周向拉应力准则，考虑水压的影响，同时考虑Williams展开式中非奇异应力项的影响，推导了临界水压和启裂倾角的计算式，分析裂纹倾角、围压、T应力、临界裂纹区尺寸等因素对临界水压和临界偏转角的影响。运用ANSYS软件建立模型，得到不同倾角、围压系数、水压等情况下的裂纹尖端应力强度因子，并将计算结果与理论解进行对比。运用ANSYS软件计算射孔尖端裂纹应力强度因子，并根据断裂准则推算临界水压和临界偏转角。分析了拉剪断裂模式中，射孔倾角、射孔长度、井筒半径及主应力差对射孔尖端裂纹启裂特性的影响。
　　研究结果表明:随着临界裂纹区半径、围压系数的增大，裂纹启裂所需临界水压增大，临界偏转角减小。运用ANSYS有限元软件对含裂纹构件进行数值模拟计算是可以保证计算准确度的，随着裂纹倾角的增大，KⅠ不断减小，KⅡ先增大后减小。对于射孔尖端拉剪复合型裂纹，随着射孔长度和井筒半径的增大，临界水压减小，裂纹启裂角度增加。随着主应力差的增大，临界水压和裂纹启裂角度都增大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状与进展

1．2．1 水压致裂研究现状

1．2．2 断裂力学发展过程

1．3 本文主要研究内容

2 基于最大周向拉应力准则的岩石裂纹水压致裂研究

2．1 研究内容

2．2 线弹性断裂力学简介

2．3 断裂准则与力学模型

2．4 各参数对裂纹启裂临界水压和临界偏转角的影响

2．4．1 裂纹区尺寸α对临界水压P’及临界偏转角θ的影响

2．4．2 围压系数k对临界水压P’及临界偏转角θ的影响

2．4．3 T应力对临界水压P’及临界偏转角θ的影响

2．5 水压对裂纹启裂偏转角的影响

2．6 小结

3 裂纹应力强度因子的数值解与理论解对比

3．1 有限元原理

3．1．1 有限元法基本思想

3．1．2 有限元法特点

3．2 有限元软件ANSYS简介

3．2．1 软件特点

3．2．2 ANSYS分析基本过程

3．3 ANSYS建立模型并计算裂纹应力强度因子

3．4 理论解计算裂纹应力强度因子

3．5 数值解与理论解的对比

3．6 小结

4 水压致裂作用下射孔尖端拉剪复合型裂纹启裂特性研究

4．1 研究内容

4．2 裂纹启裂临界水压的计算

4．2．1 数值计算射孔尖端裂纹应力强度因子

4．2．2 断裂准则的选用

4．3 裂纹启裂临界水压的影响因素

4．4 裂纹启裂I临界偏转角的计算

4．5 裂纹启裂l临界偏转角的影响因素

4．6 小结

结论

参考文献

致谢