孔壁岩石裂缝起裂扩展的动态数值模拟

摘要

改善低渗储层物性是开发低渗透油气田最有效的手段。采用爆炸技术对低渗储层物性进行改造的效果比较理想，有望大幅度提高产层的渗透率，因此有必要对爆炸破岩机理进行深入研究。岩石的爆炸破坏属于动态断裂范畴，包括冲击波和爆生气体两部分的作用。基于爆生气体在破岩过程中所起到的重要作用，本文主要在实验观测分析的基础上对爆生气体的破岩机理、规律做动态数值模拟研究。 为了研究爆生气体作用下孔壁岩石的开裂破坏规律，通过借鉴准静态计算经验及对实验结果的分析，建立了考虑试样惯性的力学模型，从动力学的角度对动态载荷作用下孔壁岩石产生多裂缝的机制做了数值模拟研究，使得模拟计算结果更加符合实际情况。此外，通过实验分析可知，试样的初始损伤分布、载荷加载速率对孔壁岩石初始损伤的进一步演化、破坏开裂有重要的影响。所以在假设试样中的微缺陷仅为径向长度、分布不同微裂纹的基础上，还对不同加载速率条件下的孔壁岩石开裂规律及影响因素进行了数值模拟研究。 数值模拟结果表明，爆生气体动态载荷作用下孔壁岩石产生多裂缝的实质是试样对动态载荷的结构响应，孔壁岩石能否产生多裂缝主要受载荷、约束、结构、材料属性等因素的影响。此外还得到了不同加载速率和初始损伤条件下孔壁岩石开裂的一般规律，不同长度、角度分布的初始损伤对孔壁的周向应力分布有明显的影响，从而影响孔壁新裂缝产生的条数和位置，较高的载荷加载速率有利于同时在孔壁上产生多条新裂缝。 本文的研究结果，不仅为“层内爆炸”采油技术的进一步研究奠定理论基础，为优化施工设计提供一定的理论支撑；而且为了解柱孔内壁动态开裂问题的稳定性提供了数值分析基础，也有利于油田高能气体压裂复合工艺等有关理论问题的进一步研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的背景

1.2低渗透油田的开发现状

1.2.1水力压裂技术

1.2.2酸化增产措施

1.2.3复合射孔技术

1.2.4利用爆炸技术增加油气产量的方法

1.2.5利用其它方法提高低渗透油藏采收率的方法

1.3爆破理论及层内爆炸采油技术研究进展

1.3.1爆破理论研究现状

1.3.2层内爆炸研究进展

1.4动载条件下岩石微裂纹的起裂及扩展机理

1.4.1动载条件下岩石微裂纹的起裂

1.4.2动载条件下微裂纹的扩展

1.5本文研究目的及意义

第二章爆生气体的作用机理及实验研究

2.1爆生气体动态破岩的作用机理

2.2静态准静态和动态的力学描述

2.3爆生气体作用下孔壁岩石破坏的实验研究

2.3.1爆生气体作用下孔壁岩石开裂的实验设计

2.3.2实验步骤过程

2.3.3实验现象结果分析

2.4本章小结

第三章线弹性断裂力学判据

3.1裂纹的力学特征分类

3.2裂纹对材料强度的影响

3.3线弹性断裂理论

3.3.1能量释放率断裂理论

3.3.2能量释放率及断裂判据

3.3.3应力强度因子断裂理论

3.3.4应力强度因子断裂判据

第四章数值计算方法及孔壁岩石开裂的力学模型

4.1有限元数值计算方法

4.1.1有限元数值计算方法介绍

4.1.2有限元基本算法

4.2 ANSYS软件结构动力学分析

4.2.1 ANSYS软件模态分析

4.2.2 ANSYS软件瞬态动力学分析

4.3力学模型

4.4数值计算基本方程

4.4.1基本方程描述

4.4.2边界条件

4.4.3破坏判据

4.4.4基本方程量纲分析

4.5数值计算过程中具体问题的处理

4.5.1数值计算网格划分

4.5.2瞬态动力学分析时间步长的确定

4.5.3数值计算裂纹面的处理

4.5.4裂尖应力强度因子的计算

4.6数值计算流程图

第五章数值计算结果及分析

5.1水泥试样的模态分析

5.2水泥试样孔壁上存在初始裂缝时的数值模拟

5.2.1孔壁上存在一条初始裂缝

5.2.2孔壁上两条初始裂缝等长3mm在夹角和加载速率不同时的计算情况

5.2.3两条初始裂缝不等长计算情况

5.2.4多条初始裂缝不等长计算情况

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢