頁巖的巖石力學(xué)性能決定著儲(chǔ)層體積壓裂所形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,以及頁巖氣生產(chǎn)過程中流-固耦合作用的強(qiáng)弱�？紤]頁巖孔隙-裂隙介質(zhì)的變形場(chǎng)對(duì)頁巖氣滲流場(chǎng)的影響,可以更為深入地揭示頁巖氣的滲流規(guī)律,從而建立較為準(zhǔn)確的產(chǎn)能預(yù)測(cè)計(jì)算模型。本研究針對(duì)頁巖氣藏壓裂水平井流-固耦合非線性滲流問題,開展了頁巖巖石力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)分析、頁巖氣多尺度非線性滲流理論模型的建立,以及水平井產(chǎn)能的數(shù)值計(jì)算等方面的系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容和成果如下:(1)通過巴西圓盤實(shí)驗(yàn)分析了頁巖的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和斷裂韌性等巖石力學(xué)性能。首先采用彈性平面問題的復(fù)應(yīng)力函數(shù)方法,獲得了任意對(duì)稱分布載荷作用下圓盤應(yīng)力和位移的級(jí)數(shù)解。同時(shí)針對(duì)含預(yù)制裂紋圓盤,結(jié)合權(quán)函數(shù)方法給出了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式。進(jìn)而,以此為間接實(shí)驗(yàn)分析的理論基礎(chǔ),研究了接觸壓力分布形式和摩擦力作用對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響。此外,考慮了頁巖的初始非線性彈性效應(yīng)對(duì)圓盤接觸壓力分布形式的影響�；趶V義變分原理和載荷增量方法,計(jì)算了接觸壓力的分布,得到了與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相一致的結(jié)果,指出了線性彈性和非線性彈性圓盤的接觸壓力分布形式特征的差異。(2)針對(duì)頁巖氣藏壓裂水平井,分析了頁巖氣生產(chǎn)程中的流-固耦合作用機(jī)理。考慮支撐劑嵌入效應(yīng)的影響,建立了考慮初始地應(yīng)力、壓裂縫方位和支撐劑鋪置層數(shù)等因素的壓裂縫網(wǎng)等效固有滲透率模型;考慮孔隙介質(zhì)彈性變形效應(yīng)的影響,給出了基質(zhì)固有滲透率修正模型;考慮游離氣的Fick擴(kuò)散和Knudsen擴(kuò)散效應(yīng),以及吸附氣的表面擴(kuò)散效應(yīng),建立了頁巖氣多尺度滲流的等效滲透率模型。數(shù)值計(jì)算分析了流-固耦合作用強(qiáng)弱的影響因素,以及各種非線性效應(yīng)對(duì)頁巖氣滲流的影響。(3)基于壓裂過程中的能量衰減規(guī)律,提出了適用于全流場(chǎng)的等效孔隙度和等效固有滲透率空間非均勻分布模型,建立了頁巖氣藏壓裂水平井流-固耦合作用下的非均勻、非線性和非穩(wěn)態(tài)三維滲流數(shù)學(xué)模型,并發(fā)展了相應(yīng)的半解析-半數(shù)值計(jì)算方法。通過與文獻(xiàn)中的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了本研究數(shù)學(xué)模型的適用性以及半解析-半數(shù)值計(jì)算方法的正確性。(4)數(shù)值模擬并預(yù)測(cè)了我國(guó)西南地區(qū)典型頁巖氣藏水平生產(chǎn)井的產(chǎn)量,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄數(shù)據(jù)基本一致。另外,數(shù)值分析了初始地應(yīng)力、支撐劑鋪置層數(shù)、彈性模量、Biot系數(shù)等流-固耦合作用參數(shù),以及Knudsen擴(kuò)散、表面擴(kuò)散和解吸等效應(yīng)對(duì)頁巖壓裂水平井產(chǎn)量的影響。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O357.3;TE328
【部分圖文】：

確定圓盤試樣的力學(xué)性能至關(guān)重要。逡逑巴西圓盤最早被應(yīng)用在脆性材料抗拉強(qiáng)度的測(cè)試中。在１９５３年，Ｃａｒｎｅｉｒｏ逡逑和Ｂａｒｃｅｌｌｏｓ１９１通過一對(duì)平行鋼板對(duì)巴西圓盤進(jìn)行加載，如圖１－１（０所示，從而逡逑間接確定脆性材料的抗拉強(qiáng)度。這Ｍ采川ＨｅｒｔｚＭ給出的二維圓盤在徑向?qū)﹀义戏Q集中載荷作用下（見閣ｌ－ｌ（Ａ））的應(yīng)力解作為其理論基礎(chǔ)。近期，Ｗａｎｇｌ１１１逡逑等通過相同的圓盤實(shí)驗(yàn)，Ｍ時(shí)結(jié)合聲r(shí)洳饈約際�，测得翣q饗蛞煨圓牧顯阱義喜煌較蟶系目估慷取４送�，…对Ｎ柱形钢誊Q脖揮美炊園臀髟才蹋椋煸兀玻保義先繽跡歟歟ǎ猓┧盡Ｓ啥≡睪勺鞔ǘ捉閑�，译E狹街旨釉胤絞餃菀自斐裳沂義鮮匝紫仍詡釉厙?guó)域笣颤铺O擔(dān)傭跋焓笛椴饈緣木取ｅ義獻(xiàn)魑臀髟才淌笛櫚摹指慕�，�

本文編號(hào)：2826426