煤層氣作為一種重要的清潔能源,近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注,水力壓裂是提高煤層氣采收率的主要技術(shù)手段,煤層中水力壓裂裂紋擴(kuò)展行為將直接影響到煤層氣的開(kāi)采效果,因而需要對(duì)煤的斷裂行為進(jìn)行深入研究。線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)作為一種十分成功的斷裂理論框架,已被廣泛地應(yīng)用于表征固體材料中的裂紋擴(kuò)展行為。對(duì)于線(xiàn)彈性巖石斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō),巖石一般被簡(jiǎn)化為線(xiàn)彈性脆性材料,相對(duì)于固體材料試件尺寸,其裂紋尖端前斷裂過(guò)程區(qū)范圍很小,可以被忽略。但另一方面,煤的破壞形式通常表現(xiàn)為準(zhǔn)脆性破壞,即其應(yīng)力峰值后存在明顯的應(yīng)變軟化區(qū)。對(duì)于這種準(zhǔn)脆性材料,其斷裂過(guò)程區(qū)尺寸范圍相對(duì)較大,且會(huì)對(duì)材料的斷裂行為產(chǎn)生很大的影響。因此,線(xiàn)彈性斷裂理論已不再適用于對(duì)煤體中裂紋擴(kuò)展行為的研究。而黏聚力模型被證明是一種有效的理論工具,能夠描述準(zhǔn)脆性材料斷裂過(guò)程區(qū)中的非線(xiàn)性斷裂行為。在該理論模型中,固體材料裂紋尖端前斷裂過(guò)程區(qū)被簡(jiǎn)化為一條閉合的裂紋或閉合的裂紋面(分別對(duì)應(yīng)二維及三維情況),其中斷裂過(guò)程區(qū)內(nèi)的非線(xiàn)性斷裂行為通過(guò)黏聚力與上下裂紋面相對(duì)位移之間的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行表征。在本研究中,通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)建立了不同煤階煤的I型及I/II混合型黏聚裂紋本構(gòu)方程。同時(shí),將所建立的黏聚裂紋本構(gòu)方程引入到煤體壓裂裂紋擴(kuò)展數(shù)值計(jì)算模型中,對(duì)煤體壓裂裂紋擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬。此外,對(duì)不同煤階煤體進(jìn)行了物理壓裂實(shí)驗(yàn),并將壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于黏聚力模型的壓裂數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)通過(guò)對(duì)煤體圓盤(pán)形試件緊湊拉伸DC(T)實(shí)驗(yàn)確立了不同煤階煤的I型黏聚裂紋本構(gòu)方程。對(duì)于煤的I型黏聚裂紋緊湊拉伸DC(T)實(shí)驗(yàn),隨著煤試件煤階的升高,其初始剛度及峰值載荷逐漸升高,最大張開(kāi)位移逐漸減小,實(shí)驗(yàn)峰后軟化階段載荷與裂紋尖端張開(kāi)位移曲線(xiàn)趨于線(xiàn)性變化,且破壞形式逐漸趨于脆性破壞;同時(shí),隨著煤化程度的提高,煤DC(T)試件的平均I型斷裂能逐漸降低,斷裂能實(shí)驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)值不斷增加。對(duì)于較低階煤試件來(lái)說(shuō),煤試件中I型裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折,且斷裂面粗糙度系數(shù)數(shù)值相對(duì)較大。更為重要的是,由黏聚裂紋應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)關(guān)系推導(dǎo)得到的I型黏聚裂紋本構(gòu)關(guān)系的一般形式Karihaloo多項(xiàng)式本構(gòu)方程,對(duì)于五種不同煤階煤軟化曲線(xiàn)的擬合度最高,且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行統(tǒng)一表征,因而被確定為不同煤體的I型黏聚裂紋本構(gòu)方程。此外,通過(guò)對(duì)不同煤階煤進(jìn)行的I型單邊缺口梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬,驗(yàn)證了通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)所建立的Karihaloo多項(xiàng)式黏聚裂紋本構(gòu)方程對(duì)描述煤體中I型裂紋擴(kuò)展行為的適用性。(2)通過(guò)對(duì)煤DC(T)試件的緊湊拉伸實(shí)驗(yàn)與煤PTS試件剪切貫穿實(shí)驗(yàn)建立了不同煤階煤基于PPR勢(shì)能函數(shù)的I/II混合型黏聚裂紋本構(gòu)方程。對(duì)于煤II型黏聚裂紋的PTS試件剪切貫穿實(shí)驗(yàn),隨著煤試件煤階的升高,其初始剛度及峰值載荷逐漸升高,且最大裂紋切向位移逐漸減小,同時(shí)II型黏聚裂紋斷裂能逐漸降低。此外,對(duì)不同煤階煤進(jìn)行了I/II混合型單邊切口梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及與之對(duì)應(yīng)的引入上述I/II混合型黏聚裂紋本構(gòu)方程的數(shù)值模擬,驗(yàn)證了通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)所建立的基于PPR勢(shì)能函數(shù)的I/II混合型黏聚裂紋本構(gòu)方程對(duì)表征煤體中I/II混合型裂紋擴(kuò)展行為的適用性。(3)對(duì)不同煤階煤,其中包括弱粘煤、肥煤及無(wú)煙煤,進(jìn)行了水力壓裂物理實(shí)驗(yàn)。同時(shí),對(duì)不同煤階煤進(jìn)行了液態(tài)CO_2及超臨界態(tài)CO_2無(wú)水壓裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:煤試件煤階越高,其水力壓裂實(shí)驗(yàn)中臨界起裂壓力值越大;同時(shí),起裂時(shí)間逐漸縮短。與水力壓裂相比,煤體無(wú)水壓裂的起裂壓力值有明顯降低;其中超臨界態(tài)CO_2壓裂的起裂壓力最低,相較于水力壓裂的起裂壓力值,肥煤、無(wú)煙煤及泥巖的超臨界態(tài)CO_2壓裂的起裂壓力分別降低了30.42%、33.95%及35.68%。經(jīng)過(guò)無(wú)水壓裂的煤巖試件,其裂紋數(shù)量明顯增多,對(duì)于超臨界態(tài)CO_2壓裂后的煤巖試件,其中形成了相互交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。(4)基于黏聚力模型對(duì)不同煤階煤進(jìn)行了水力壓裂數(shù)值模擬,其中黏聚力模型中的黏聚裂紋本構(gòu)關(guān)系采用本研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)所建立的煤體黏聚裂紋本構(gòu)方程,模擬結(jié)果表明,采用黏聚力模型建立的數(shù)值模擬結(jié)果與水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合,而基于線(xiàn)彈性斷裂理論進(jìn)行的煤體水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果與水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差。這說(shuō)明黏聚力模型相比傳統(tǒng)線(xiàn)彈性斷裂理論更適合于研究煤體水力壓裂裂紋擴(kuò)展。此外,通過(guò)零厚度黏聚型單元方法實(shí)現(xiàn)了不同流體壓裂煤層的多裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TD712.6
【部分圖文】：

并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)近 70 年理論上的不斷完新，水壓致裂技術(shù)已成功廣泛地應(yīng)用于油氣工程[6,7],及非常規(guī)天力壓裂增產(chǎn)煤層氣工藝過(guò)程如圖 1-1 所示，該技術(shù)是通過(guò)地面高一定速度連續(xù)地注入井筒，使得井底附近產(chǎn)生高壓，當(dāng)該注入的應(yīng)力與儲(chǔ)氣層自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，儲(chǔ)氣煤層發(fā)生破裂。隨著壓裂液生的裂縫持續(xù)擴(kuò)展，最終在煤層井筒底部一定范圍內(nèi)形成裂縫網(wǎng)入混有支撐劑的攜砂液，高壓攜砂液將繼續(xù)促進(jìn)煤層中裂縫擴(kuò)展致裂的裂縫內(nèi)。當(dāng)攜砂液泵送完畢后，通過(guò)注入低黏度破膠液，井筒返排到地面，僅流下支撐劑用于支撐儲(chǔ)層中裂縫。水力壓裂高了儲(chǔ)層滲透率，煤層中游離的甲烷氣體通過(guò)裂縫通道經(jīng)井筒排，從而達(dá)到增產(chǎn)目的。

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文(2) 剪切型(II 型)：裂紋受到外部平行于裂紋面的剪切應(yīng)力作用，使得裂紋上下表紋面相對(duì)滑開(kāi)，形成面內(nèi)剪切；(3) 撕開(kāi)型(III 型)：裂紋受到外部平行于裂紋面及裂紋前緣的剪切應(yīng)力的共同作用裂紋上下表面相對(duì)錯(cuò)開(kāi)，裂紋上下表面位移間斷。

圖 1-3 斷裂行為的分類(lèi)(Ba ant, 1985[147])Fig. 1-3 Types of fracture process behaviorDugdale[156]首先對(duì)裂紋前斷裂過(guò)程區(qū)內(nèi)裂紋擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了研究，其對(duì)預(yù)制有穿透裂紋的金屬薄板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，觀察到裂紋尖端前發(fā)生塑性變形形成一扁平帶狀區(qū)(即為斷裂過(guò)程區(qū))，Dugdale 認(rèn)為在該區(qū)域內(nèi)存在一種垂直于預(yù)制裂紋面的應(yīng)力，只有克服該應(yīng)力裂紋方可擴(kuò)展，該應(yīng)力被認(rèn)為是材料屈服應(yīng)力。同時(shí)期學(xué)者 Barenblatt[157]在對(duì)脆性材料斷裂過(guò)程的研究中，提出斷裂過(guò)程區(qū)內(nèi)存在黏聚力限制裂紋擴(kuò)展，該力來(lái)源于原子間吸引力, 吸引力的大小與裂縫張開(kāi)位移有關(guān)。Hillerborg 等[158]將裂紋尖端前斷裂過(guò)程區(qū)簡(jiǎn)化為一條虛擬裂紋，其上作用的黏聚力使其閉合，該黏聚力與虛擬裂紋張開(kāi)度相關(guān)，裂紋擴(kuò)展需克服此黏聚力，Hillerborg 將此模型成功應(yīng)用于混凝土中裂紋擴(kuò)展分析，由此黏聚力模型(cohesive zone mode, CZM)得以建立。黏聚力模型是將斷裂過(guò)程區(qū)簡(jiǎn)化為
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