油井岩层复合射孔爆燃气体压裂机理研究

论文摘要

油井复合射孔二次爆燃气体对地层压裂作用是流固动力耦合、裂缝动态扩展的岩体力学前沿交叉课题,具有重要的科学意义与明确的应用前景。本文的研究内容与主要成果为:(1)分析井下爆燃气体流动特性,建立裂缝内爆燃气体流动模型。半解析法定性分析裂缝内气体压力分布的基础上,在流动控制方程内引入压力分布函数,转化流动控制微分方程为积分方程,实现爆燃气体在裂缝内流动过程的数值法求解。(2)在爆燃气体驱动裂缝扩展过程中,裂缝内爆燃气体压力分布与裂缝几何形态相互影响相互制约。本文参考爆炸模型中裂缝法向位移与裂缝面压力耦合关系式,建立复合射孔爆燃气体致裂裂缝张开位移公式;推导不同荷载作用下裂尖应力强度因子,作为裂缝起裂判别的依据;利用裂尖J积分得到的能量释放率确定起裂后裂缝扩展速度。将建立的裂缝内气体流动方程和裂缝体响应方程联合求解,实现爆燃气体流动和裂缝扩展耦合过程的描述。同时考虑到爆燃气体致裂是快速裂缝扩展问题,在裂尖能量平衡式中引入动能增量,分析了裂尖动态响应对裂缝起裂和扩展的影响。(3)在爆燃气体流动和裂缝体响应的耦合分析基础上,研究爆燃气体驱动裂缝动态扩展数值模型。本模型通过三大模块:爆燃气体流动模块、含裂缝岩体动态响应模块以及裂缝扩展处理模块的耦合求解,实现爆燃气体致裂过程数值模拟。本模拟程序是在大型岩体工程有限元软件FINAL平台上开发完成。并应用了相关的试验资料对模型的正确性进行了验证。(4)将本文数值模拟结果与相应的半解析解和地面靶试验结果进行了对比分析,以验证本文开发的数值模拟程序计算的可靠性和精度。应用本数值模拟平台,对油井压裂长度这一核心问题的几个主要影响因素展开了系统的数值试验研究。从压裂技术相关因素敏感性分析中总结出改善压裂效果的有效措施,为工程设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 爆燃荷载致裂作用机理与模型研究现状
• 1.2.1 应力波致裂理论模型
• 1.2.2 爆燃气体膨胀压力致裂作用研究
• 1.2.3 爆燃荷载致裂作用数值模型研究
• 1.3 本文的主要工作和创新点
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文工作的创新点
• 2 复合射孔爆燃气体流动理论分析
• 2.1 爆燃气体在预裂缝内流动模型
• 2.2 半解析求解气体压力分布
• 2.2.1 气体密度沿裂缝均匀分布分析
• 2.2.2 气体温度沿裂缝均匀分布分析
• 0 的确定'>2.2.3 裂缝入口气体质量流速分析——q₀的确定
• 2.2.4 射孔枪装药模拟——爆燃气体压力边界条件
• 2.2.5 裂缝内爆燃气体压力半解析求解
• 2.3 数值迭代法求解气体压力分布
• 2.3.1 裂缝内气体压力分布函数
• 2.3.2 裂缝内气体质量守恒方程
• 2.3.3 裂缝内气体状态参数相互关系
• 2.3.4 裂缝、井筒及枪内气体流动关系
• 2.3.5 流动求解程序及其相关边界条件和初始条件
• 2.3.6 算例分析
• 2.4 本章小结
• 附录2-A：侧壁漏失速率的分析
• 附录2-B：横向热流量的分析
• 3 爆燃气体驱动裂缝扩展耦合作用分析
• 3.1 基本假定与分析模型建立
• 3.2 准静态裂缝扩展理论分析
• 3.2.1 裂缝张开位移公式建立
• 3.2.2 裂缝扩展判据
• 3.2.4 裂缝扩展速度确定
• 3.2.5 爆燃气体流动和裂缝扩展耦合求解思路与实现
• 3.2.6 算例分析
• 3.3 考虑裂尖动态响应的裂缝扩展理论分析
• 3.3.1 井壁裂缝体能量方程
• 3.3.2 动能增量近似计算
• 3.3.3 算例分析
• 3.4 本章小结
• 4 爆燃气体驱动下动态裂缝扩展的数值模型
• 4.1 数值模拟研究基本思路
• 4.2 裂缝扩展有限元法实施
• 4.2.1 裂缝扩展节点分离法
• 4.2.2 裂缝识别
• 4.3 爆燃气体驱动裂缝扩展动态响应方程
• 4.3.1 含裂缝体动态响应方程
• 4.3.2 裂缝单元约束条件及裂缝内气体压力施加
• 4.4 数值模拟裂缝扩展增量计算
• 4.4.1 裂尖J 积分有限元法求解
• 4.4.2 有限元应力强度因子求解
• 4.5 爆燃气体驱动裂缝扩展耦合求解及相应程序
• 4.5.1 裂缝几何参数
• 4.5.2 裂缝内气体压力求解
• 4.5.3 数值耦合求解实现
• 4.5.4 程序功能模块
• 4.6 算例分析
• 4.7 本章小结
• 附录4-A 动态裂缝扩展J 积分
• 5 复合射孔爆燃气体压裂机理数值试验
• 5.1 数值试验相关量的确定
• 5.2 数值分析结果的验证
• 5.2.1 算例1——半解析解验证
• 5.2.2 算例2——地面水泥靶试验验证
• 5.3 油井地层压裂数值试验
• 5.3.1 相关分析资料
• 5.3.2 有限元模型
• 5.3.3 数值试验结果讨论
• 5.4 爆燃气体驱动作用与井壁岩体应力波致裂作用对比分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目情况