致密油藏岩石粘塑性力学特征及其在网络压裂中的应用

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1、中图分类号：O345单位代码：11414学号：2013312002题目致密油藏岩石粘塑性力学特征及其在网络压裂中的应用学科专业力学研究方向岩石力学博士生丁祥指导教师张广清教授二○一七年十月Visco-plasticBehaviorofRockinTightReservoirandItsApplicationinNetworkFracturingDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegree

2、ofDoctorofEngineeringByDingXiang（Mechanics）DissertationSupervisorProf.ZhangGuangqingOctober,2017摘要摘要致密油是继页岩气之后全球非常规油气勘探开发的又一新热点，但是致密油地质力学特征研究方兴未艾。之前对致密油藏地质力学特征研究集中于线弹性模型，对其塑性及粘性性质的研究较少。本文通过致密砂岩的岩石力学室内试验研究了致密砂岩的塑性及粘性特征，并将其应用于致密砂岩的水力压裂研究。首先，修正了国家标准《煤和岩石三轴强度及变形参数测定方法》中对岩石三轴条件下泊松比的计

3、算公式。对取自某油田的致密砂岩进行了三轴应力测试，分别采用ISRM建议方法、国家标准、通常做法确定砂岩的泊松比，对比了各种方法的异同。根据孔隙性岩石的变形特征提出了致密砂岩剪胀性分区的概念，同时研究了致密砂岩在变形过程中剪胀角的变化。根据致密砂岩岩心的压缩试验，研究了致密砂岩在塑性变形过程中基于Drucker-Prager准则的强度参数压力相关系数α和粘聚剪切强度k随塑性内变量κ的变化，对比了五种常用的Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则参数换算关系；推导了关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数表达式，并研究其

4、在塑性变形中的变化过程。利用分数阶Maxwell模型拟合了致密砂岩单轴蠕变试验。基于水力压裂数值模拟的基本理论，将基于分数阶Maxwell模型开发的用户子程序应用到粘弹性致密砂岩储层的水力压裂数值模拟中，研究了致密砂岩粘弹性对水力裂缝形态的影响。最后将Hertz接触理论推广，将其应用于粘弹性地层支撑剂嵌入问题研究，提出了基于分数阶Maxwell模型的无量纲嵌入深度及无量纲裂缝宽度理论解，并研究了七个相关参数的敏感性。通过上述研究，主要得到了以下结论：1.基于塑性内变量临界点的泊松比确定方法具有明确的物理意义及较强的可操作性、实用性。2.可利用剪胀性分区

5、的概念来研究不同围压和孔隙度下岩石的剪胀性。3.在致密砂岩在塑性变形过程中，压力相关系数随塑性内变量增大，但增长速率不断减小；而粘聚剪切强度k则随着塑性内变量先增大后减小。-II-摘要4.等效塑性应变系数C跟所选择的屈服准则有关，C2/3是选用Mises屈服准则时的特例。进入塑性阶段以后，等效塑性应变系数C不是一个常量，而是一个随内变量不断变化的量。5.分数阶Maxwell模型较好地描述了致密砂岩的蠕变特性，相对于其它常规整数阶模型，该模型具有参数少、精度高的特点。6.地层的粘性特征对水力裂缝形态具有重要影响。相对于弹性地层，粘弹性地层中水力裂

6、缝宽度更大，但裂缝长度较小。7.支撑剂弹性模量及泊松比、地层弹性模量和泊松比、闭合应力、粘性系数和分数阶阶数对无量纲嵌入深度及无量纲裂缝宽度有直接影响，并且闭合应力影响最大。关键词：致密砂岩；粘塑性；蠕变；水力压裂；分数阶-III-ABSTRACTVisco-plasticBehaviorofRockinTightReservoirandItsApplicationinNetworkFracturingABSTRACTTightoilisanothernewhotspotoftheunconventionaloilandgasexplorationan

7、ddevelopmentintheworldaftershalegas,buttheresearchonthegeomechanicalcharacteristicsoftightoilreservoirsisintheascendant.Previousstudiesonthegeomechanicalcharacteristicsoftightreservoirsweremainlyfocusedonthelinearelasticmodel,andtheirplasticityandviscouspropertieswerelessstudied

8、.Inthisthesis,theplasticandviscouscharacteristi