油页岩原位开采水热力耦合模型与水力压裂规律研究

摘要

油页岩作为一种非常规能源,储量巨大,是石油资源的有益替代和补充。虽然地上干馏技术成熟,但其废渣数量极大,污染严重,并且占用大量良田,因此需着力研究原位干馏技术。本文主要研究油页岩的原位注汽开采,采用室内实验,理论研究和数值模拟相结合的方法,对油页岩进行高温热解特性室内实验,建立油页岩原位开采的水热力多场耦合数学模型,并利用有限元软件对其进行数值模拟。最后为改善油页岩低渗透的特性,提高产油效率,对其进行水力致裂的模拟研究。首先,对油页岩的物理化学与力学性质进行实验研究,给出了力学损伤变量和化学损伤变量的确定方法。基于传统的等效应变假设,从油页岩的单轴应力—应变关系曲线分离出弹塑性损伤信息,定义油页岩的力学损伤变量。同理,基于热解实验,定义了油页岩的化学损伤变量。其次,建立考虑损伤情况的油页岩原位开采水热力耦合数学模型,并对其进行数值模拟。数学模型充分考虑热弹塑性的损伤,孔隙流体的热对流和干酪根发生相变的影响,以及控制方程中的物理参数是温度的函数。油页岩原位干馏的数值模拟可知:热传导主要沿水平方向,而热对流主要发生在竖直方向。另外,2年以后的投入成本将大于产出所创造的价值。再次,利用weibull分布的随机变量对油页岩的热膨胀系数、热传导率、比热、弹性模量、抗拉压强度等材料参数赋值,对地下加热油页岩的热破裂进行数值模拟,可知:温度场,应力场和变形场的变化均表现出明显的非均匀性和随机性,其热破裂现象与实验室的干馏实验结果基本一致。最后,利用ABAQUS中的COHESIVE单元和子程序接口,对油页岩水力压裂的数值模拟知:第一主应力主要分布在压裂井井筒处,并对上下两层岩体影响较大,而第二、三主应力对其他两层的影响相对较小。另外,压裂液滤失率呈现上升趋势,且曲线斜率慢慢变小。上述研究成果为油页岩原位干馏技术和岩体的水力压裂技术提供了理论依据,岩体的水力压裂可为页岩油的运移提供通道,油页岩的原位干馏则是一种既经济又环保的双赢技术。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题目的和意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容及方法

1.3.1 本文的研究目标和内容

1.3.2 研究方法和技术路线

2 油页岩的物理化学与力学性质实验

2.1 油页岩热解失重实验

2.2 油页岩力学性质实验

2.3 油页岩损伤变量的确定

2.3.1 损伤类型

2.3.2 损伤变量

2.3.3 油页岩损伤演化规律

2.4 本章小结

3 油页岩原位开采多场耦合的数学模型

3.1 耦合变形场方程

3.2 耦合渗流场方程

3.3 耦合温度场方程

3.4 数学模型的边界条件和初始条件

3.4.1 耦合变形场的定解条件

3.4.2 耦合渗流场的定解条件

3.4.3 耦合温度场的定解条件

3.5 本章小结

4 油页岩原位注汽开采的数值模拟

4.1 油页岩原位开采的数值模拟

4.1.1 计算模型的建立

4.1.2 模型模拟定解条件

4.1.3 数值模拟结果及分析

4.2 油页岩原位开采热破裂的数值模拟

4.2.1 计算模型的建立

4.2.2 模型模拟定解条件

4.2.3 数值模拟结果及分析

4.3 本章小结

5 油页岩水力压裂的数值模拟

5.1 油页岩水力压裂数值模拟的实现

5.1.1 ABAQUS 中的断裂力学原理

5.1.2 ABAQUS 中的COHESIVE 单元

5.2 油页岩水力压裂的数值模拟

5.2.1 计算模型的建立

5.2.2 模型模拟定解条件

5.2.3 数值模拟结果及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

附录A 主要符号说明

作者简历

一、基本情况

二、在学期间从事的科研工作

三、在学期间所获的科研奖励

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