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超临界CO2作用下低渗透煤层热弹塑性损伤模型及其数值模拟

作　者: 陈治宇
导　师: 孙可明
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 超临界CO2 低渗透煤层 弹塑性 损伤变量 数值模拟
分类号: O346.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


针对我国绝大多数煤层都属于低渗透煤层的特点，为了改善传统煤层气开采效率低的不足，提高煤层的渗透性，增加煤层气的采收率，利用超临界CO2具有提高煤层渗透性的特性，通过实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对经过不同温压状态和作用时间条件下的超临界二氧化碳作用后的型煤试样的损伤规律进行研究。取得如下成果：通过实验得到经过不同温压状态和作用时间条件下的超临界二氧化碳作用后煤体弹性模量的损伤变化规律；利用传热学、热力学、损伤力学和弹塑性力学等相关理论，定义了煤体损伤因子，建立了超临界CO2作用下煤体的热、弹塑性损伤力学模型，并通过引入损伤权重因子得到损伤因子与作用相同时间条件下超临界CO2的温压状态变量之间的函数关系。利用abaqus子程序的开发功能，通过场变量将损伤函数集成于abaqus本构关系中，并分别对单孔和多孔向煤层注入超临界CO2的不同工况进行数值模拟。单孔注入超临界二氧化碳时，得到孔周定量的损伤程度和损伤范围的分布规律；超临界CO2对煤体造成的损伤程度与温度因素呈现出正指数增加变化规律，即损伤程度随温度的增加呈现出正指数增加变化规律，但损伤增加的幅度随着温度的升高却逐渐减小。同时损伤程度与孔隙压力因素也呈现出正指数增加变化规律，即损伤程度随孔隙压力的增加呈现出正指数增加的变化规律；在双孔共同注入超临界CO2流体作用下，由于孔隙压力间的干扰在孔间产生了一个高损伤区域，并且损伤区域很快扩展到钻孔周围的整个区域，损伤区域要比单孔损伤的区域大，为合理的选取钻孔的间距提供了理论依据。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-17
  1.1 选题的目的和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
  1.3 研究内容及技术路线  15-17
2 煤孔隙裂隙特性  17-24
  2.1 煤孔隙特征  17-18
  2.2 孔隙类型  18-21
  2.3 煤的裂隙特征  21-22
  2.4 我国煤层气储层的特征  22-24
3 超临界 CO_2作用下煤样损伤实验研究  24-35
  3.1 实验装置  24
  3.2 实验方案  24-25
  3.3 实验煤样制作  25-26
  3.4 超临界 CO_2作用后煤样单轴抗压实验  26-33
    3.4.1 孔隙压力对煤样应力-应变曲线的影响规律  27-29
    3.4.2 温度对煤样应力-应变曲线的影响规律  29-31
    3.4.3 作用时间对煤样应力-应变曲线的影响规律  31-33
  3.5 损伤函数的建立  33-34
  3.6 本章小结  34-35
4 热、弹塑性损伤理论  35-58
  4.1 热传导基本方程及其边界条件  35-36
  4.2 热、弹性力学基本方程  36-37
  4.3 塑性基本理论  37-46
    4.3.1 屈服准则  39-41
    4.3.2 理想塑性材料加卸载准则  41
    4.3.3 硬化材料的加卸载准则  41-42
    4.3.4 流动法则  42-46
  4.4 塑性损伤基本理论  46-57
    4.4.1 损伤变量的定义  46-48
    4.4.2 塑性损伤模型  48-49
    4.4.3 单轴加载条件下的塑性损伤模型  49-51
    4.4.4 单轴循环加载条件  51-52
    4.4.5 多轴加载条件  52-57
  4.5 本章小结  57-58
5.超临界 CO_2作用下煤体损伤规律数值模拟  58-80
  5.1 工程背景  58
  5.2 数值模型建立  58-60
  5.3 数值模拟结果及分析  60-76
    5.3.1 温度场变化规律  61-62
    5.3.2 应力场变化规律  62-68
    5.3.3 渗流场变化规律  68-70
    5.3.4 单孔损伤分布规律  70-71
    5.3.5 损伤随温度场的变化规律  71-73
    5.3.6 损伤随孔隙压力的变化规律  73-76
  5.4 双孔情况下的数值模拟  76-79
    5.4.1 双孔温度场变化规律  76-77
    5.4.2 双孔渗流场变化规律  77-78
    5.4.3 双孔损伤变化规律  78-79
  5.5 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-85
作者简历  85-87
学位论文数据集  87-88

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 固体力学 > 强度理论 > 损伤理论
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