發(fā)布時間：2018-11-18 19:56

【摘要】：大量的施工實踐工程發(fā)現(xiàn),頁巖氣、石油、煤層氣等化石能源的開采與巖石內(nèi)部微裂隙的存在與擴展息息相關,裂縫內(nèi)部網(wǎng)絡發(fā)育程度越高,越有益于石油天然氣等化石資源的開發(fā)。因此,研究巖石斷裂阻力、裂隙起裂及擴展失穩(wěn)過程,對油氣井工程和巖體工程設計與施工具有重大價值與意義。一直以來,國內(nèi)外學者認為應力強度因子完全描述了裂紋尖端的奇異應力場,應力強度因子是控制巖石等材料裂紋擴展的唯一一個參數(shù)。近年來的研究結果表明,裂紋尖端的奇異應力場函數(shù)更高階項同樣具有很大影響作用,即Williams級數(shù)解展開式中平行于裂紋面的應力,該應力為一常數(shù),它被認為是顯著影響裂紋尖端的應力和應變場的參數(shù)。論文根據(jù)實際工程問題,從巖石斷裂韌性理論分析入手,尋求最佳的數(shù)值模擬、巖石Ⅰ-Ⅱ復合型斷裂測試及裂紋擴展角的預測方法,促進頁巖氣儲層高效優(yōu)質(zhì)的水力壓裂和開發(fā)。本文首先通過運用有限元軟件ABAQUS來計算不同支撐點間距、裂紋傾角、預制裂紋長度的三點彎曲半圓盤試樣的斷裂參數(shù),并通過對中心直裂紋巴西圓盤的數(shù)值解與解析解的對比,證實了數(shù)值計算的可靠性;然后詳細介紹了半圓盤試件的加工流程、加工尺寸及三點彎曲裝置的要求,對半圓盤頁巖試樣加載得到了龍馬溪組頁巖的復合型斷裂韌性及裂紋初始起裂角;最后,將常規(guī)的最大周向應力擴展準則和考慮T應力的修正最大周向應力裂紋擴展準則的理論預測結果和實際實驗結果進行對比,驗證理論分析結果的正確性。結論及成果如下:(1)特定支撐點間距S情況下,無量綱應力強度因子YⅠ隨相對裂紋長度的增大而增大;在相對裂紋長度一定的情況下,無量綱應力強度因子YⅠ隨支撐點間距的增大逐漸增大;相對裂紋長度越長,無量綱應力強度因子增幅越大,若相對裂紋長度過大,會增大斷裂韌性測試結果的誤差;因此本文建議相對裂紋長度a/R取0.2～0.6之間。當相對裂紋長度a/R≤0.5時,無量綱T應力均為負值;無量綱T應力隨著相對裂紋長度增大,先減小后增大;(2)龍馬溪組頁巖的斷裂韌性物理實驗表明:不同裂紋角度頁巖試樣斷裂載荷分布范圍為3.27kN～10.92kN,隨著裂紋傾角的增大,半圓盤頁巖試樣承受最大載荷逐漸增大,龍馬溪組頁巖純Ⅰ型斷裂韌性為1.13～1.38MPa√m,純Ⅱ型斷裂韌性為0.55～0.62MPa√m,不同傾角裂紋巖樣T應力的變化范圍為-0.49～9.48MPa;(3)對于純Ⅰ型斷裂,如果不考慮T應力影響情況下,使用傳統(tǒng)的最大周向應力裂紋擴展判別準則判斷Ⅰ型斷裂時,則裂縫沿預制裂紋方向擴展;如果考慮T應力影響的情況下,裂紋擴展路徑將發(fā)生偏折;傳統(tǒng)MTS判據(jù)未考慮T應力的影響,預測起裂角存在很大誤差,特別是在β45°時,誤差更大;對斷裂韌性的預測同樣具有較大誤差,特別是在KⅡ占主導地位時,誤差更大;對于Ⅰ-Ⅱ復合型斷裂韌性,膨脹角和斷裂韌性取決于T應力的大小,負T應力會降低裂紋起裂角,斷裂韌性增加。相反,正的T應力會增大裂紋起裂角,斷裂韌性減小;(4)經(jīng)典的斷裂準則僅考慮Williams展開式的奇異項,忽略了更高階項系數(shù),造成預測結果與實測值存在很大誤差。通過將引入T應力修正的最大周向應力裂紋擴展判別準則(GMTS),與經(jīng)典的裂紋擴展準則(MTS)相對比,研究T應力對巖石斷裂韌性及裂紋擴展角的影響;然后基于GMTS準則,對不同傾角裂紋頁巖試件的起裂角和斷裂韌性進行預測,并與測試值進行對比分析。研究結果表明,T應力對巖石裂紋的斷裂角及斷裂韌性具有很大影響,特別是在Ⅱ型斷裂占主導地位時影響更加顯著,GMTS準則能夠更好的預測巖石Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋初始擴展角及斷裂韌性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE311

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本文編號：2341039