本文主要研究内容
作者杨健锋（2019）在《煤体黏聚裂纹本构方程研究及其在压裂工程中的应用》一文中研究指出：煤层气作为一种重要的清洁能源,近年来得到了广泛的关注,水力压裂是提高煤层气采收率的主要技术手段,煤层中水力压裂裂纹扩展行为将直接影响到煤层气的开采效果,因而需要对煤的断裂行为进行深入研究。线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中的裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为线弹性脆性材料,相对于固体材料试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区范围很小,可以被忽略。但另一方面,煤的破坏形式通常表现为准脆性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种准脆性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大,且会对材料的断裂行为产生很大的影响。因此,线弹性断裂理论已不再适用于对煤体中裂纹扩展行为的研究。而黏聚力模型被证明是一种有效的理论工具,能够描述准脆性材料断裂过程区中的非线性断裂行为。在该理论模型中,固体材料裂纹尖端前断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面（分别对应二维及三维情况）,其中断裂过程区内的非线性断裂行为通过黏聚力与上下裂纹面相对位移之间的本构关系进行表征。在本研究中,通过物理实验建立了不同煤阶煤的I型及I/II混合型黏聚裂纹本构方程。同时,将所建立的黏聚裂纹本构方程引入到煤体压裂裂纹扩展数值计算模型中,对煤体压裂裂纹扩展进行数值模拟。此外,对不同煤阶煤体进行了物理压裂实验,并将压裂实验结果与基于黏聚力模型的压裂数值模拟结果进行了对比。主要研究内容及结论如下:（1）通过对煤体圆盘形试件紧凑拉伸DC（T）实验确立了不同煤阶煤的I型黏聚裂纹本构方程。对于煤的I型黏聚裂纹紧凑拉伸DC（T）实验,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐减小,实验峰后软化阶段载荷与裂纹尖端张开位移曲线趋于线性变化,且破坏形式逐渐趋于脆性破坏;同时,随着煤化程度的提高,煤DC（T）试件的平均I型断裂能逐渐降低,断裂能实验结果变异系数值不断增加。对于较低阶煤试件来说,煤试件中I型裂纹扩展路径更加曲折,且断裂面粗糙度系数数值相对较大。更为重要的是,由黏聚裂纹应力场及位移场关系推导得到的I型黏聚裂纹本构关系的一般形式Karihaloo多项式本构方程,对于五种不同煤阶煤软化曲线的拟合度最高,且能够对其进行统一表征,因而被确定为不同煤体的I型黏聚裂纹本构方程。此外,通过对不同煤阶煤进行的I型单边缺口梁三点弯曲实验及与之相对应的数值模拟,验证了通过上述实验所建立的Karihaloo多项式黏聚裂纹本构方程对描述煤体中I型裂纹扩展行为的适用性。（2）通过对煤DC（T）试件的紧凑拉伸实验与煤PTS试件剪切贯穿实验建立了不同煤阶煤基于PPR势能函数的I/II混合型黏聚裂纹本构方程。对于煤II型黏聚裂纹的PTS试件剪切贯穿实验,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,且最大裂纹切向位移逐渐减小,同时II型黏聚裂纹断裂能逐渐降低。此外,对不同煤阶煤进行了I/II混合型单边切口梁三点弯曲实验及与之对应的引入上述I/II混合型黏聚裂纹本构方程的数值模拟,验证了通过上述实验所建立的基于PPR势能函数的I/II混合型黏聚裂纹本构方程对表征煤体中I/II混合型裂纹扩展行为的适用性。（3）对不同煤阶煤,其中包括弱粘煤、肥煤及无烟煤,进行了水力压裂物理实验。同时,对不同煤阶煤进行了液态CO2及超临界态CO2无水压裂实验。实验结果表明:煤试件煤阶越高,其水力压裂实验中临界起裂压力值越大;同时,起裂时间逐渐缩短。与水力压裂相比,煤体无水压裂的起裂压力值有明显降低;其中超临界态CO2压裂的起裂压力最低,相较于水力压裂的起裂压力值,肥煤、无烟煤及泥岩的超临界态CO2压裂的起裂压力分别降低了30.42%、33.95%及35.68%。经过无水压裂的煤岩试件,其裂纹数量明显增多,对于超临界态CO2压裂后的煤岩试件,其中形成了相互交错的裂隙网络。（4）基于黏聚力模型对不同煤阶煤进行了水力压裂数值模拟,其中黏聚力模型中的黏聚裂纹本构关系采用本研究中通过实验所建立的煤体黏聚裂纹本构方程,模拟结果表明,采用黏聚力模型建立的数值模拟结果与水力压裂实验结果相符合,而基于线弹性断裂理论进行的煤体水力压裂数值模拟结果与水力压裂实验结果存在较大偏差。这说明黏聚力模型相比传统线弹性断裂理论更适合于研究煤体水力压裂裂纹扩展。此外,通过零厚度黏聚型单元方法实现了不同流体压裂煤层的多裂纹扩展数值模拟。
Abstract
mei ceng qi zuo wei yi chong chong yao de qing jie neng yuan ,jin nian lai de dao le an fan de guan zhu ,shui li ya lie shi di gao mei ceng qi cai shou lv de zhu yao ji shu shou duan ,mei ceng zhong shui li ya lie lie wen kuo zhan hang wei jiang zhi jie ying xiang dao mei ceng qi de kai cai xiao guo ,yin er xu yao dui mei de duan lie hang wei jin hang shen ru yan jiu 。xian dan xing duan lie li xue zuo wei yi chong shi fen cheng gong de duan lie li lun kuang jia ,yi bei an fan de ying yong yu biao zheng gu ti cai liao zhong de lie wen kuo zhan hang wei 。dui yu xian dan xing yan dan duan lie li xue lai shui ,yan dan yi ban bei jian hua wei xian dan xing cui xing cai liao ,xiang dui yu gu ti cai liao shi jian che cun ,ji lie wen jian duan qian duan lie guo cheng ou fan wei hen xiao ,ke yi bei hu lve 。dan ling yi fang mian ,mei de po huai xing shi tong chang biao xian wei zhun cui xing po huai ,ji ji ying li feng zhi hou cun zai ming xian de ying bian ruan hua ou 。dui yu zhe chong zhun cui xing cai liao ,ji duan lie guo cheng ou che cun fan wei xiang dui jiao da ,ju hui dui cai liao de duan lie hang wei chan sheng hen da de ying xiang 。yin ci ,xian dan xing duan lie li lun yi bu zai kuo yong yu dui mei ti zhong lie wen kuo zhan hang wei de yan jiu 。er nian ju li mo xing bei zheng ming shi yi chong you xiao de li lun gong ju ,neng gou miao shu zhun cui xing cai liao duan lie guo cheng ou zhong de fei xian xing duan lie hang wei 。zai gai li lun mo xing zhong ,gu ti cai liao lie wen jian duan qian duan lie guo cheng ou bei jian hua wei yi tiao bi ge de lie wen huo bi ge de lie wen mian （fen bie dui ying er wei ji san wei qing kuang ）,ji zhong duan lie guo cheng ou nei de fei xian xing duan lie hang wei tong guo nian ju li yu shang xia lie wen mian xiang dui wei yi zhi jian de ben gou guan ji jin hang biao zheng 。zai ben yan jiu zhong ,tong guo wu li shi yan jian li le bu tong mei jie mei de Ixing ji I/IIhun ge xing nian ju lie wen ben gou fang cheng 。tong shi ,jiang suo jian li de nian ju lie wen ben gou fang cheng yin ru dao mei ti ya lie lie wen kuo zhan shu zhi ji suan mo xing zhong ,dui mei ti ya lie lie wen kuo zhan jin hang shu zhi mo ni 。ci wai ,dui bu tong mei jie mei ti jin hang le wu li ya lie shi yan ,bing jiang ya lie shi yan jie guo yu ji yu nian ju li mo xing de ya lie shu zhi mo ni jie guo jin hang le dui bi 。zhu yao yan jiu nei rong ji jie lun ru xia :（1）tong guo dui mei ti yuan pan xing shi jian jin cou la shen DC（T）shi yan que li le bu tong mei jie mei de Ixing nian ju lie wen ben gou fang cheng 。dui yu mei de Ixing nian ju lie wen jin cou la shen DC（T）shi yan ,sui zhao mei shi jian mei jie de sheng gao ,ji chu shi gang du ji feng zhi zai he zhu jian sheng gao ,zui da zhang kai wei yi zhu jian jian xiao ,shi yan feng hou ruan hua jie duan zai he yu lie wen jian duan zhang kai wei yi qu xian qu yu xian xing bian hua ,ju po huai xing shi zhu jian qu yu cui xing po huai ;tong shi ,sui zhao mei hua cheng du de di gao ,mei DC（T）shi jian de ping jun Ixing duan lie neng zhu jian jiang di ,duan lie neng shi yan jie guo bian yi ji shu zhi bu duan zeng jia 。dui yu jiao di jie mei shi jian lai shui ,mei shi jian zhong Ixing lie wen kuo zhan lu jing geng jia qu she ,ju duan lie mian cu cao du ji shu shu zhi xiang dui jiao da 。geng wei chong yao de shi ,you nian ju lie wen ying li chang ji wei yi chang guan ji tui dao de dao de Ixing nian ju lie wen ben gou guan ji de yi ban xing shi Karihalooduo xiang shi ben gou fang cheng ,dui yu wu chong bu tong mei jie mei ruan hua qu xian de ni ge du zui gao ,ju neng gou dui ji jin hang tong yi biao zheng ,yin er bei que ding wei bu tong mei ti de Ixing nian ju lie wen ben gou fang cheng 。ci wai ,tong guo dui bu tong mei jie mei jin hang de Ixing chan bian que kou liang san dian wan qu shi yan ji yu zhi xiang dui ying de shu zhi mo ni ,yan zheng le tong guo shang shu shi yan suo jian li de Karihalooduo xiang shi nian ju lie wen ben gou fang cheng dui miao shu mei ti zhong Ixing lie wen kuo zhan hang wei de kuo yong xing 。（2）tong guo dui mei DC（T）shi jian de jin cou la shen shi yan yu mei PTSshi jian jian qie guan chuan shi yan jian li le bu tong mei jie mei ji yu PPRshi neng han shu de I/IIhun ge xing nian ju lie wen ben gou fang cheng 。dui yu mei IIxing nian ju lie wen de PTSshi jian jian qie guan chuan shi yan ,sui zhao mei shi jian mei jie de sheng gao ,ji chu shi gang du ji feng zhi zai he zhu jian sheng gao ,ju zui da lie wen qie xiang wei yi zhu jian jian xiao ,tong shi IIxing nian ju lie wen duan lie neng zhu jian jiang di 。ci wai ,dui bu tong mei jie mei jin hang le I/IIhun ge xing chan bian qie kou liang san dian wan qu shi yan ji yu zhi dui ying de yin ru shang shu I/IIhun ge xing nian ju lie wen ben gou fang cheng de shu zhi mo ni ,yan zheng le tong guo shang shu shi yan suo jian li de ji yu PPRshi neng han shu de I/IIhun ge xing nian ju lie wen ben gou fang cheng dui biao zheng mei ti zhong I/IIhun ge xing lie wen kuo zhan hang wei de kuo yong xing 。（3）dui bu tong mei jie mei ,ji zhong bao gua ruo nian mei 、fei mei ji mo yan mei ,jin hang le shui li ya lie wu li shi yan 。tong shi ,dui bu tong mei jie mei jin hang le ye tai CO2ji chao lin jie tai CO2mo shui ya lie shi yan 。shi yan jie guo biao ming :mei shi jian mei jie yue gao ,ji shui li ya lie shi yan zhong lin jie qi lie ya li zhi yue da ;tong shi ,qi lie shi jian zhu jian su duan 。yu shui li ya lie xiang bi ,mei ti mo shui ya lie de qi lie ya li zhi you ming xian jiang di ;ji zhong chao lin jie tai CO2ya lie de qi lie ya li zui di ,xiang jiao yu shui li ya lie de qi lie ya li zhi ,fei mei 、mo yan mei ji ni yan de chao lin jie tai CO2ya lie de qi lie ya li fen bie jiang di le 30.42%、33.95%ji 35.68%。jing guo mo shui ya lie de mei yan shi jian ,ji lie wen shu liang ming xian zeng duo ,dui yu chao lin jie tai CO2ya lie hou de mei yan shi jian ,ji zhong xing cheng le xiang hu jiao cuo de lie xi wang lao 。（4）ji yu nian ju li mo xing dui bu tong mei jie mei jin hang le shui li ya lie shu zhi mo ni ,ji zhong nian ju li mo xing zhong de nian ju lie wen ben gou guan ji cai yong ben yan jiu zhong tong guo shi yan suo jian li de mei ti nian ju lie wen ben gou fang cheng ,mo ni jie guo biao ming ,cai yong nian ju li mo xing jian li de shu zhi mo ni jie guo yu shui li ya lie shi yan jie guo xiang fu ge ,er ji yu xian dan xing duan lie li lun jin hang de mei ti shui li ya lie shu zhi mo ni jie guo yu shui li ya lie shi yan jie guo cun zai jiao da pian cha 。zhe shui ming nian ju li mo xing xiang bi chuan tong xian dan xing duan lie li lun geng kuo ge yu yan jiu mei ti shui li ya lie lie wen kuo zhan 。ci wai ,tong guo ling hou du nian ju xing chan yuan fang fa shi xian le bu tong liu ti ya lie mei ceng de duo lie wen kuo zhan shu zhi mo ni 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自太原理工大学的杨健锋，发表于刊物太原理工大学2019-07-26论文，是一篇关于煤层气论文,水力压裂论文,裂纹扩展论文,黏聚力模型论文,不同煤阶煤论文,数值模拟论文,太原理工大学2019-07-26论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自太原理工大学2019-07-26论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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