Microscopic Mechanisms on the Solid-liquid Interface Dynamics in Hydraulic Fracturing

Abstract

近年来，我国页岩气开发已有了成功的实例，水力压裂技术作为页岩气开采的最有效技术手段更是激起了我国政府、学术界和工业界的广泛兴趣. 然而水力压裂技术难以在页岩中形成大规模的交联裂纹网络，这也正是页岩气开采中存在的两个基本难题之一. 水力压裂过程中接触线移动诱导的裂纹扩展、失稳、愈合以及固液界面边界滑移和界面波等都是典型的固液界面动力学过程，由此可见水力压裂中固液界面动力学机理研究对探索压裂机制、提高压裂效果起着关键性作用. 并且对于这种具有强非线性行为的固液界面动力学问题，仅仅从界面现象的宏观表现来推测其内在的变化过程是远远不够的，必须从分子水平或纳米尺度上来探索水力压裂中界面效应和尺度效应显著的固液界面动力学微观机制. 传统实验、理论和计算方法难以解释固液界面相互作用引起的固体渐进破坏行为和输运过程耦合作用的微观机制. 本学位论文正是在此背景下，采用理论、大规模分子动力学方法和有限元方法相结合的手段，从分子尺度出发讨论水力压裂中固液界面动力学的微观机理，主要针对两类核心关键问题：水力压裂过程中接触线移动诱导的裂纹失稳问题、水力压裂过程中固液界面的独特性质开展研究. 水力压裂中移动接触线诱导的裂纹动态扩展和失稳行为：揭示了水力压裂中移动接触线诱导的裂纹动态扩展的两个微观机理：孔洞形成和位错发射，得到了基于 Rayleigh 表面波速的裂纹失稳、分岔的判据； 水力压裂中裂纹愈合的微观机理：在地应力场、温度场等耦合场的作用下裂纹尖端有愈合的趋势，需要通过添加支撑剂来阻碍愈合的发生，本论文通过大规模分子动力学方法定量得到了地应力场、温度场以及支撑剂几何和力学性质对阻碍裂纹愈合行为的影响； 水力压裂中具有角度效应的固液界面边界滑移及其机制：发展了一种针对纳尺度具有角度效应的固液界面处流动的分子动理论 (Molecular kinetic theory, MKT) 滑移模型，首次提出了裂纹内流动的基于 MKT 和 Navier-Stokes 方程相结合的跨尺度理论，从分子层次揭示了裂纹夹角和润湿性对固液界面边界滑移速度分布规律以及流场的影响； 摘 要 II 页岩体与注入流体界面间 Stoneley 的波传播特性：探索了微地震事件下固体 Rayleigh 表面波及固-液界面 Stoneley 波的传播规律及其波速. 本论文详细探索了水力压裂过程中固液界面动力学微观机理，为解决限制页岩气藏开采的关键问题提供理论基础，为实现水力压裂裂纹控制、提高实际生产提供理论指导