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我的本科毕业论文

已有 5208 次阅读 2009-8-22 21:23 |个人分类:科研笔记|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 数值模拟, 岩石力学, 水力压裂, 流固耦合

摘要

 

岩体注水致裂过程是指岩体在孔隙水压力驱动下微裂纹萌生、扩展和贯通,直到最后宏观裂纹产生的过程,又称为水力压裂。岩体水力压裂技术在很多的工程领域都有重要应用,诸如石油天然气开采、地应力测量和核废料处理等领域。研究岩体水力压裂,不仅有利于我们清楚地认识岩体水压致裂发生的机理,而且也有利于我们研究和解决诸如上述的很多工程问题。

由于天然岩体材质的随机性,以及岩体中原有裂隙和孔洞等因素的影响,使得孔隙水压作用下岩体破裂裂纹的起裂和扩展过程十分复杂。使用经典的水力压裂研究方法解决水力压裂裂纹起裂和扩展问题是很难达到符合实际的解答的,因为经典方法均假设岩体材质是均质各向同性的。本文使用FEPG模拟了材质(模型中主要即为弹性模量)随机分布的岩体水力压裂过程,分析总结了裂纹起裂和扩展的规律,并与经典水力压裂的研究结果进行了比较,为非均质岩体中的水力压裂工艺提供了一些参考依据。

关键词岩体;水力压裂;裂纹扩展;流固耦合;数值模拟

附:研究现状概述,

地下岩体渗流是自然界中常见的现象,尤其是在石油和天然气开采、水利水电、采矿和港口建设等工程中更是普遍。所谓渗流就是流体通过多孔介质的流动。在流体流过岩体等多孔介质时,由于流体施加于与之相接触的岩体骨架上的静压力和动压力会使得岩体发生变形,同时岩体的变形也会影响流体的流动状态,即渗流场和应力场是互相作用、互相耦合在一起的,最终这两种相互作用将达到一种动平衡状态,此即所谓的流固耦合现象[3]。基于地下岩体渗流理论和岩石水力学中流固耦合作用的理论基础以及提高石油、天然气等地下能源采收率等工程需求的推动,在十九世纪四十年代美国一些专家首先提出了用于提高低渗透油气层渗透性能的水力压裂技术。所谓水力压裂就是使用特制的压裂液(包括水等流体),在高排量、高泵压下注入岩层以水力尖劈地层,使岩层破裂产生新的裂缝(裂纹)或使岩层原有裂缝张开,并延伸裂缝的工程技术[5]。由定义描述可知水力压裂也是一种地下岩体渗流问题,其特殊性是在于必须时刻考虑渗流过程中的岩体变形等动态特性。

水力压裂技术应用于石油天然气工业,对于提高油气产量和低渗透油层的产油能力做出了有意义的贡献,取得了巨大的经济和社会效益。19477月在美国肯萨斯修斯顿天然气田进行了第一次水力压裂增产作业,至1988年,美国的水力压裂作业总数量发展至100万井次以上,美国石油储量的(25-30%是通过压裂增产达到经济开采条件的。现在,水力压裂技术已经成为油气田应用最为广泛的增产方法。在我国,水力压裂技术也已开始应用[1]

水力压裂技术近年来也被引入了环境保护科学领域[1],其基本思路是:在地下深部不易渗透的岩层之间存在薄弱的岩体,如夹在两层页岩之间的砂岩,用水力压裂法将会产生大量裂纹系而形成水力压裂带。这些由不易渗透岩层包围着的破裂带构成了理想的地下储存库。将石油或其他生产过程中的固态和液态废物,如污染的泥沙和废液,回灌到地下深部储藏起来,以减轻对地面的污染而达到保护环境的目的。

随着科学技术的不断进步,水力压裂除应用于石油天然气工业和污染物处置等领域外,水力压裂也应用于地应力测量、煤层气开发等极为广泛的工程中。虽然上述各个领域使用水力压裂技术的具体工艺相差很大,但是它们却都有一些共同的目的,比如要清楚地掌握岩体在孔隙水压力作用下的破坏规律,水力压裂破裂带扩展的动态过程以及破裂带空间趋向(裂缝延伸规律)和集合形态,并且能在一定程度上控制裂纹的扩展方向等等。所以研究岩体注水致裂过程不但有利于清楚地认识水力压裂过程中岩石破坏失稳规律,分析渗流、应力耦合作用的机制,在理论上推动岩石水力学和变形介质渗流理论的发展,同时也可以解决上述的很多工程实际问题。所以研究注水致裂时岩体破坏原理和裂纹扩展规律是许多工程学科面临的前沿课题[1]

在岩体水力压裂过程中,由于我们面对的是天然条件下含有大量裂纹、孔洞等原始缺陷的复杂材料,所以在水力压裂时岩体在孔隙水压力作用下的破坏大多要受控于原有的孔微裂纹等结构,岩体的破坏过程实际上就是水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通,直到最后宏观裂纹产生,导致破裂失稳的过程[1]。另一方面是由于岩体材料严重的随机非均质性和原始地应力的影响,使得孔隙水压作用下的岩体破裂过程十分复杂。这就使得我们很难用一些经典的固体力学理论及解析解法获得比较接近实际情况的水力压裂规律。比如使用断裂力学理论就难以描述岩石内部孔隙结构(分布缺陷)的复杂性及其在水压作用下裂纹(奇异缺陷)扩展过程的关系[1];而损伤力学研究材料中微缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响。以断裂力学或者损伤力学为基础的方法和模型均忽略了岩石材料性质分布的随机性[1]Weibull1939年提出了材料脆性破坏强度统计理论,并在此基础上发展形成了概率断裂力学,从某种程度上弥补了断裂力学的不足。

总而言之,用经典方法来研究岩体注水致裂裂纹产生和扩展规律时都存在不同程度的局限性,尤其是经典理论很难解决岩体材质随机分布情况下的水力压裂问题,而材质分布的随机性却正是天然岩体的一个很主要特点。这就是理论解答与工程实际之间的矛盾。要得到比较结合实际的理论解答就必须考虑岩体材质分布的随机性!这样才可能为复杂地质情况下的水力压裂问题提供一定的理论参考依据,取得一定的经济和社会效益,而不至于得不偿失。如果能在流固耦合的思想指导下使用适当的数值模拟方法动态模拟岩体水力压裂的裂纹起裂和扩展规律,就有可能在一定程度上取得与实际情况相符合的结论作者也正是在这个思想的启发下,选择了石油、天然气开采等工业中比较普遍使用的水力压裂技术,使用FEPG软件对岩体水力压裂裂纹的起裂、扩展和延伸规律进行一定的模拟研究,以期得到一些岩体材质随机分布的水力压裂裂纹起裂、扩展和延伸的规律,弥补经典方法的不足,为水力压裂工艺提供一些理论参考依据。

水力压裂理论和技术从提出到现在已经有五十多年的历史了,在研究水力压裂的力学原理和裂纹扩展的规律时,开始均是使用岩石力学、弹性力学、渗流力学和断裂力学等力学知识进行岩体力学强度的计算和破坏判断。随着各门学科的发展和人类对客观事物本质的更深认识,解决水力压裂问题的方法也有了很大进步。就数学力学解析方法研究来说,目前国内外研究水力压裂的思想均是在岩石水力学的指导下,用流固耦合的思想研究裂纹的扩展,研究的内容包括岩体渗流规律的研究、流体流动对岩体物理力学性质和本构关系影响的研究[3],并且适当考虑裂纹扩展的动态过程,在数学力学模型中引进时间变量[2];而就具体的研究方法来说,一般是沿着现场观测、模型实验和理论分析相结合的思路,进行综合的研究,相互验证和相互补充,同时开展数值模拟研究[3]

就数值模拟岩体注水致裂裂纹扩展来说,国内外也提出了很多的数值模拟方法。目前岩土力学界使用最普遍的仍然是有限元数值分析方法[5],水力压裂研究中也不例外。有限元方法是在连续介质的基础上基于变分原理和分区插值的离散化方法求解实际问题的[5],虽然实际的岩体材料都是非连续的,但是后来发展的特殊的节理单元(如Goodman单元)来模拟节理等不连续面、用节点分离技术模拟断层单元上下面位移的不协调、用增量法和直接迭代法以及New-Raphson(简称N-R方法)等方法来处理材料非线性问题,使得有限元方法始终保持着活力[5]。但是由于各种有限元软件具体的数值模拟方法的不同或者所采用(假设)的力学模型的不同,所以也出现了一些不符合工程实际的现象。

在有限元的数值分析中,一般使用加密网格模拟细观岩体结构的开裂,历史上曾提出了多种宏观断裂模型[1]:分离裂缝模型(Discrete Crack Model)、分布裂缝模型(Smeared Crack Model)和内嵌单元裂缝法(Element-embedded Crack Approach)来模拟岩体、混凝土受拉开裂后所形成的裂缝。分离裂缝模型认为裂缝在相邻单元的边界面上形成,并在裂缝两边的单元引入各自的节点。分布裂缝模型假定裂缝在单元内部形成,当单元达到开裂条件后,就在垂直于主拉应力的方向产生裂缝。Hiller提出Fictitious Crack Model简称FCM,该模型属于分离型裂缝模型的范畴,它不适合在复杂应力状态下裂纹的萌生和扩展,而且很难处理多裂纹的扩展问题Bazant提出裂缝带模型(Blunt Crack Band Model),该模型属于分布型裂缝模型的范畴,能够研究平面问题中的断裂问题。这两个模型较好地反映了端部裂纹区的应变局部化和应变软化特征,一般只能用数值方法来求解[1]。由于该模型没有考虑岩石的非均匀性,也就是说没有考虑到天然岩体材质分布的随机性,所以它们只能模拟已有裂纹的扩展问题,不能模拟裂纹萌生、扩展到相互贯通的整个过程。

上述数值模拟方法的另一个缺点是均忽略了岩石变形、开裂与流体流动之间的耦合作用[1]。如Jeffrey用分离裂缝模型研究水力压裂过程时认为不能考虑流体流动过程和应力变化对裂纹的影响。目前对渗流与应力耦合作用的研究集中于固有裂隙网络的应力应变状态耦合分析,缺少耦合作用的破裂过程分析[1]BurnAnkara利用Biota理论研究孔隙压力对岩石的张性断裂的影响,VandammeRoegierso提出了水力压裂的耦合解,Dournary利用流固耦合理论讨论了水力压裂的起裂、扩展和闭合全过程的流固耦合现象,指出流固耦合在水力压裂过程中应用的重要性,L.Weijers提出一种描述流体渗流过程的水力压裂力学模型,并和试验进行了对照。这些考虑流体影响的水力压裂研究局限于试验研究和理论分析,虽然有美国Terra-Tech等水力压裂的模拟软件,但研究渗流应力耦合作用下岩石渐进破裂全过程的细观数值模型较少。

 

 

 

 

 



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