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研究生： 林政億
Lin, Cheng-Yi
論文名稱： 以破壞力學分析水力破裂法之研究
A Laboratory Study of the Hydraulic Fracturing by Fracture Mechanics
指導教授： 王建力
Wang, Chein-Lee
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 112
中文關鍵詞： 破壞力學 、破裂韌度 、應力強度因子 、水力破裂法
外文關鍵詞： Fracture mechanics, Fracture toughness, Stress intensity factor, Hydraulic fracturing
相關次數： 點閱：148  下載：7 
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    • 水力破裂法為目前量測大地應力中較常使用方法之一，起源於1948年美國石油工業，最初為用來增加低滲透率地層中的石油產量，由於裂縫的開裂與大地應力有一定之關係，爾後漸漸發展成為量測大地應力的方法。由於水力破裂法使用簡便，因此成為最常使用之量測方法。本文研究內容主要依據Rummel（1987）之基本理論，自行規劃一套室內水力破裂試驗並利用數值分析軟體ANSYS，並將實驗所得之破壞壓力代入本研究所建立之數值模型，針對裂縫長度與裂縫再開裂壓力及應力強度因子之影響進行討論。
    本研究發現：裂縫增長，將會使破壞壓力降低。實驗發現：經由室內試驗之破壞壓力代入數值模型所求之破裂韌度平均值皆大於三點彎曲試驗所得之破裂韌度。數值分析結果顯示：裂縫長度超過井孔半徑後，裂縫的增長對於再開裂壓力較無影響。

    Hydraulic fracturing is one of the popular methods for measuring in-situ stresses. Based on the relationship between fracturing pressures and in-situ stresses, hydraulic fracturing has proved to be an effective method to measure in-situ stresses. This study attempts to set up a laboratory experiment of hydraulic fracturing based on the theory proposed by Rummel (1987). A numerical package, ANSYS, was also used and the parametric study was carried out in this study.

    The results of the experiment show that the average values of fracture toughness are greater than those from three point bending test. This find that increase of fracture length tends to lower the fracturing pressure. The numerical analysis reveals the re-fracturing pressure are not effected by the fracture length when the fracture length is greater than the radius of borehole.

    目 錄 摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 表 目 錄 VII 圖 目 錄 VIII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究方法及流程 3 第二章 文獻回顧 5 2-1 水力破裂法相關理論 5 2-2 現地試驗 10 2-3 水力破裂法應用 11 第三章 室內試驗 15 3-1 試驗方法與儀器 15 3-2試體製備 17 3-2-1 標準抗壓試驗 17 3-2-2 三點彎曲試驗 19 3-2-3 室內水力破裂試驗 21 3-2-3-1 試體製作所需器具 23 3-2-3-2 試體製作過程 24 3-2-3-3 試驗步驟 28 3-3 試驗結果 29 3-3-1 標準抗壓試驗及三點彎曲試驗結果 29 3-3-2 室內水力破裂試驗結果 31 3-3-2-1 無施加圍壓 31 3-3-2-2 施加單軸壓力 39 3-3-2-3 施加雙軸圍壓應力 56 第四章 數值分析 62 4-1 Rummel解析解 62 4-2 ANSYS數值解 66 4-2-1 程式架構 66 4-2-2 程式簡介 69 4-2-3 數值模型建立 73 4-2-4 邊界效應影響 75 4-2-5 網格劃分 77 4-3 案例分析 78 4-3-1 裂縫長度對於裂縫再開裂壓力之影響 78 4-3-2 裂縫長度對於破裂韌度之影響 103 第五章 結論與建議 107 5-1 結論 107 5-2 建議 109 參 考 文 獻 110 表 目 錄 表3-1 試驗結果 30 表3-2 無施加圍壓之試體破壞壓力值 31 表3-3 施加單軸壓力 5 MPa 40 表3-4 施加單軸壓力 10 MPa 40 表3-5 施加單軸壓力 15 MPa 41 表3-6 a/r=3更改裂縫方位施作單軸壓力 41 表3-7 a/r=1施加雙軸圍壓應力 57 表4-1 精度驗證 74 圖 目 錄 圖1-1 水力破裂法示意圖 2 圖 1-2 研究流程圖 4 圖2-1 裂縫開裂示意圖 9 圖2-2 內徑與外徑比及裂縫長度與內外徑比 13 圖2-3 裂縫寬度與應力強度因子關係 14 圖2-4 破裂韌度值與圍壓之關係 14 圖3-1 本研究所需之試驗設備 16 圖3-2 標準抗壓試驗所需模具及製作完成之試體 18 圖3-3 三點彎曲試驗所需器具及製作完成之試體。 20 圖3-4 試體組立圖 21 圖3-5 試體上視圖 22 圖3-6 室內水力破裂試驗所需器具。 23 圖3-7 準備澆鑄之模具（a/r=1） 25 圖3-8 準備澆鑄之模具（a/r=3） 25 圖3-9 準備澆鑄之模具（a/r=5） 26 圖3-10 準備澆鑄之模具（a/r=3 裂縫方向為45度） 26 圖3-11 試體澆鑄完成 27 圖3-12 拆模後試體之養護情形（養護七天） 27 圖3-13 標準抗壓試驗（試體破壞後外觀） 29 圖3-14 三點彎曲試驗（試體破壞後外觀） 29 圖3-15 Na組與Nb組破壞壓力值 32 圖3-16 無施加圍壓（Na組與Nb組平均），裂縫長度與破壞壓力值之關係 32 圖3-17 試體Na1（a/r=1）進行無圍壓試驗 33 圖3-18 破壞後外觀 33 圖3-19 試體Nb1（a/r=1）進行無圍壓試驗 34 圖3-20 Nb1破壞後外觀 34 圖3-21 試體Na2（a/r=3）進行無圍壓試驗 35 圖3-22 試體Na2破壞後外觀 35 圖3-23 試體Nb2（a/r=3）進行無圍壓試驗 36 圖3-24 試體Nb2破壞後外觀 36 圖3-25 試體Na3（a/r=5）進行無圍壓試驗 37 圖3-26 試體N5破壞後外觀 37 圖3-27 試體Nb3（a/r=5）進行無圍壓試驗 38 圖3-28 試體N6破壞後外觀（明顯看出流體沿著裂縫破壞） 38 圖3-29 裂縫方位圖 40 圖3-30 a/r=1時，施加單軸壓力之破壞壓力值 41 圖3-31 a/r=3時，施加單軸壓力之破壞壓力值 42 圖3-32 a/r=5時，施加單軸壓力之破壞壓力值 42 圖3-33 施加單軸壓力之試體破壞壓力值 43 圖3-34 更改裂縫方位與破壞壓力關係 43 圖3-35 試體a1（a/r=1，施加5 MPa之單軸壓力）。 44 圖3-36 試體a2（a/r=1，施加10 MPa之單軸壓力）。 45 圖3-37 試體a3（a/r=1，施加15 MPa之單軸壓力）。 46 圖3-38 試體b1（a/r=3，施加5 MPa之單軸壓力）。 47 圖3-39 試體b2（a/r=3，施加10 MPa之單軸壓力）。 48 圖3-40 試體b3（a/r=3，施加15 MPa之單軸壓力）。 49 圖3-41 試體c1（a/r=5，施加5 MPa之單軸壓力）。 50 圖3-42 試體c2（a/r=5，施加10 MPa之單軸壓力）。 51 圖3-43 試體c3（a/r=5，施加15 MPa之單軸壓力）。 52 圖3-44 試體d1（a/r=3裂縫方位45度，施加5 MPa之單軸壓力）。 53 圖3-45 試體d2（a/r=3裂縫方位45度，施加10 MPa之單軸壓力）。 54 圖3-46 試體d3（a/r=3，施加15 MPa之單軸壓力）。 55 圖3-47 a/r=1施加雙軸圍壓應力 57 圖3-48 試體A1。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=15MPa。 58 圖3-49 試體A2。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=7.5MPa。 58 圖3-50 試體A3。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=5MPa。 59 圖3-51 試體B1。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=15MPa。 59 圖3-52 試體B2。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=7.5MPa。 60 圖3-53 試體B3。施加圍壓應力比為1。SH=15MPa、Sh=5MPa。 60 圖3-54 A組與B組所有試體破壞外觀。 61 圖4-1 水力破裂系統 62 圖4-2 ANSYS程式架構 67 圖4-3 ANSYS分析流程 68 圖4-4 ANSYS之PLANE82元素與其退化之三角元素 69 圖4-5 二維度奇異元素 69 圖4-6 ANSYS應力強度因子之計算流程 70 圖4-7 定義裂紋路徑 71 圖4-8 定義裂紋尖端的局部座標 72 圖4-9 模型邊界條件之對稱性 72 圖4-10 驗證工作之網格劃分 73 圖4-11 精度驗證 74 圖4-12 邊界效應影響 76 圖4-13 數值模型 77 圖4-14 數值模擬之案例 79 圖4-15 案例1模擬狀況 80 圖4-16 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（裂縫內壓力為均佈壓力） 82 圖4-17 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（裂縫內壓力為均佈壓力） 82 圖4-18 案例2模擬狀況 83 圖4-19 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（裂縫內壓力分佈為線性洩降） 85 圖4-20 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（裂縫內壓力分佈為線性洩降） 85 圖4-21 案例3模擬狀況 86 圖4-22 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 89 圖4-23 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 89 圖4-24 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 90 圖4-25 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 90 圖4-26 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 91 圖4-27 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 91 圖4-28 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 92 圖4-29 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 92 圖4-30 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 93 圖4-31 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 93 圖4-32 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。 94 圖4-33 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 94 圖4-34 案例4模擬狀況 95 圖4-35 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 97 圖4-36 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 97 圖4-37 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 98 圖4-38 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為 流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 98 圖4-39 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 99 圖4-40 a/r≦1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 99 圖4-41 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 100 圖4-42 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=1，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 100 圖4-43 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 101 圖4-44 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=2，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 101 圖4-45 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為裂縫長度與井孔半徑比值，縱軸為再開裂壓力。） 102 圖4-46 a/r≧1時之裂縫再開裂壓力（SH/Sh=3，流體壓力未完全充滿裂縫，橫軸為流體滲進裂縫內之加壓段大小，縱軸為再開裂壓力。） 102 圖4-47 無施加圍壓之破裂韌度值 104 圖4-48 無施加圍壓之平均破裂韌度值 104 圖4-49 施加單軸壓力之破裂韌度值 105 圖4-50 更改裂縫方位之破裂韌度值K1C與單軸壓力關係 105 圖4-51 更改裂縫方位之破裂韌度值K2C與單軸壓力關係 106

    參 考 文 獻
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    下載圖示 校內：2007-07-10公開
    校外：2007-07-10公開
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