钻孔岩体裂隙几何参数确定方法研究及其应用

 裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要考虑因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出了新的统计方法和计算公式。研究认为：(1) 由于岩体裂隙空间分布多变性,提出了以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2) 钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3) 裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响并提出了修正公式;(4) 裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

钻孔岩体裂隙几何参数确定方法及其应用

裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出新的统计方法和计算公式。研究结果如下:(1)由于岩体裂隙空间分布多变性,提出以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2)钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3)裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响,并提出修正公式;(4)裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

全景式钻孔电视成像技术在钻孔编录中的应用研究

介绍了全景式钻孔电视成像系统的测试工作原理,论证了钻孔电视成像技术在工程勘测中的适用性。通过对钻孔节理裂隙产状进行统计分析,达到了对钻孔电视检测成果定量解释的目的。同时,应用钻孔电视成像技术对地质构造和构造层面等进行了定位和划分。通过成像法编录成果与常规岩芯编录成果的对比分析,总结成像法编录的优缺点,提出以钻孔电视为主,钻探取芯为辅的勘探方法。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

 将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

数字光学成像技术在岭澳核电厂的应用

介绍了数字光学成像技术在电力工程勘测应用中的适用性和优点,阐述了全景式钻孔电视成像系统的测试工作原理和工作流程,通过全景式钻孔摄像给出了全孔的孔壁展开图和三维虚拟岩芯图,对深层岩脉、节理、裂隙的产状和宽度进行量化统计,达到了定量分析钻孔节理裂隙几何特征的目的.应用数字光学成像技术于岭澳核电三期的边坡工程中,查明了边坡工程场区的主要岩层结构面和岩体完整性,通过对比常规勘测手段获得的节理裂隙发育规律,验证了全景式钻孔摄像的可靠性,表明该技术可较好地应用于核电工程中.     

等效连续介质模型在某裂隙岩质边坡渗流稳定性分析中的应用

在分析某公路裂隙岩质边坡渗流时,合理选取了渗流分析模型,并综合考虑比较了单孔压水试验和裂隙统计取得的渗透系数,获得了能较好反映原位地质环境的修正渗透张量。利用该方法所获取的渗透参数并采用连续介质模型对该边坡工程分析计算,取得了与实际吻合的结果,并指出了边坡稳定性分析时考虑渗流场影响的必要性。     

钻孔井下电视成像技术在边坡地质勘察工程中的应用研究

边坡地质勘察方法有很多种,每种方法都有自己的特点与优势。钻孔井下电视成像技术能够利用光学成像直观地显示出钻孔内的地质情况,为边坡地质勘察提供准确的依据。本文结合实际边坡地质勘察,对比分析钻孔电视成像技术的优劣,从而为钻孔电视成像技术在边坡地质勘察中的推广应用提供参考。     

高分辨率声波钻孔电视及其在核废物地质处置深部岩体研究中的应用

声波钻孔电视测量是最早能获得钻孔直观图像的地球物理测井方法,新一代声波钻孔电视探头采用了先进的声波束聚焦技术、数字记录技术和数字化数据处理技术,具有精度高、分辨率高和测井速度快等特点。在高放废物深地质处置库场址预选和场址评价研究中,深部岩体的节理裂隙特征参数是场址性能评价的基础数据之一。利用高分辨率声波钻孔电视测井技术,可获得钻孔孔壁直观图像和孔壁各点的三维磁坐标和倾斜坐标参数。利用这些参数,计算钻孔的偏移量、进行钻孔裂隙统计分析、岩芯定向排列和评价局部范围内深部岩体节理裂隙和断裂构造的延伸特征等。声波钻孔电视是一种方便、快捷、精度高的深部岩体裂隙测量工具。     

超声波成像钻孔电视在工程勘察中的应用

介绍了超声波成像系统的工作原理,利用超声波成像钻孔电视对大亚湾场址的4个钻孔进行了测试,并统计了结构面产状、间距和RQD,与岩芯和地面结构面统计结果进行了系统对比研究。超声波成像系统具有以下几方面的优点:它可以对地表露头和岩芯结构面统计结果进行校正和补充,评价深部岩体质量;其次,还可以针对不同类型仪器来选择其探头在钻孔中的安装位置,确定最大主应力方向,以及对部分工程质量进行检测。超声波成像钻孔电视已在工程勘察、水利工程、土木工程和采矿工程等领域得到了广泛的应用,是地学界非常有用的一种勘探技术。     

Integral solutions for transient fluid flow through a porous medium with pressure-dependent permeability

This paper presents an integral method for analyzing transient fluid flow through a porous medium, which has pressure-dependent permeability. Approximate analytical solutions have been obtained for one-dimensional linear and radial flow by an integral-solution technique, in which the density of the fluid, and the porosity and permeability of the formation, are treated as arbitrary functions of pressure. The integral solutions have been checked by comparison with exact solutions for constant-permeability cases and with numerical simulation results for general non-linear flow problems, and good agreement has been obtained for both cases.In the study of transient flow of fluids through porous media, intrinsic or absolute permeability of the formation has often been treated as a constant in order to avoid solving a non-linear problem. The present work shows that the assumption of a pressure-independent permeability may introduce significant errors for flow in certain pressure sensitive media. Application of the integral solutions to slightly compressible fluid flow in a horizontal fracture set is illustrated. The calculations show that neglect of changes in fracture permeability leads to large errors under the condition of high injection pressure.     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究

通过试验研究了围压升降过程中砂岩和单裂隙花岗岩岩样渗透率的变化特性。试验结果表明，在围压升降过程中，砂岩和单裂隙花岗岩的渗透率均随有效应力的增加呈负指数规律减小，但单裂隙花岗岩的渗透率对有效应力的敏感程度远大于砂岩，而砂岩渗透率的恢复程度则远大于单裂隙花岗岩。在围压下降过程中，砂岩和单裂隙花岗岩渗透率的恢复均存在明显的应力滞后效应。     

裂隙单元修正等效渗透率模型及其验证

 采用裂隙单元表征裂隙网络,引入裂隙单元等效渗透率的概念,按照流量等效的原则计算其大小,然而阶梯状裂隙单元造成渗流流程的增加,同时压差不变导致流量的减少,为解决这一问题,用裂隙在网格中的实际流程长度与裂隙迹长之比来修正裂隙单元等效渗透率,并且针对复杂裂隙网络,对其进行预处理--删除孤立裂隙、死端裂隙、孤立裂隙簇等非连通裂隙。用此修正模型对单裂隙、相交裂隙、复杂裂隙网络进行渗流数值模拟,并与理论解及离散裂隙网络模型方法渗流结果进行比较,结果显示：研究区域下游出口总流量及出口处流量分布均取得较好一致性;同时,此裂隙单元修正等效渗透率模型也能反映出裂隙岩体渗流的非均质和各向异性。     

裂隙岩体等效渗透系数张量数值法研究

由于核废料地质储存、地热开采、深部油气开采的工程需求,裂隙岩体渗透性及其随着应力、温度的影响受到广泛关注。通过温度-渗流-应力耦合三轴仪对大理岩人工裂隙渗透率随应力及温度变化规律进行了试验研究,获得了大理岩闭合裂隙渗透率随应力、温度的变化趋势及受影响程度。在试验基础上,通过数值方法研究了裂隙岩体等效渗透系数的尺寸效应及各向异性,获得了该裂隙岩体的等效渗透系数REV及渗透张量。     

低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂裂缝扩展模拟

 对低渗透薄互层砂岩油藏的大型压裂开发时,由于低渗透薄互层砂岩油藏中隔层岩层比较薄、强度低,对裂缝高度方向上的扩展抑制作用较小,往往会出现裂缝长度与高度之比小于4,导致只考虑缝内流体一维流动的拟三维裂缝扩展模型不再适用。根据低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂的特点,在适当假设的基础上,应用线弹性断裂理论,建立考虑缝内流体沿着裂缝高度和长度方向流动的拟三维裂缝扩展模型,并用解析法得到压裂过程中裂缝扩展尺寸和缝内流体压力的精确解;利用Visual Basic计算机语言编制二维流动的拟三维裂缝扩展模型求解程序,并对某低渗透薄互层砂岩油藏压裂过程中裂缝扩展情况进行了求解分析。计算结果表明：二维流动的拟三维裂缝扩展模型能够很好地预测低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂过程中裂缝的扩展,可以满足工程需求。     

Nonlinear model characterizing stress-strain relationship and permeability change of contact compression fracture at closing stage

Understanding the stress-strain relationship and permeability change for contact compression fracture at closing stage has been a hot issue for a long time.Previous investigations of this topic were mainly focused on experimental tests;however,theoretical approaches were rarely reported.Based on this,this paper focuses on the contact fracture at closing stage when rock is uniaxially loaded,and then a theoretical model is proposed.Based on the change of fracture elasticity modulus,it shows that as crack apertures are gradually reduced in the loading process,the permeability of rock sample will decrease progressively.This scenario shows that theoretical computation matches well with the experimental results.Finally,the effects of ratio of sample size to fracture aperture(n).pore pressure(P),and initial aperture(b) on stress-strain relationship and permeability change for contact compression fracture at closing stage are analyzed.     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。     

Hydraulic properties of fractured rock masses with correlated fracture length and aperture

Permeability of fractured rocks is investigated considering the correlation between distributed fracture aperture and trace length, based on a newly developed correlation equation. The influence of the second moment of the lognormal distribution of apertures on the existence of representative elementary volume (REV), and the possibility of equivalent permeability tensor of the fractured rock mass, is examined by simulating flow through a large number of stochastic discrete fracture network (DFN) models of varying sizes and varying fracture properties.The REV size of the DFN models increases with the increase of the second moment of the lognormal distribution, for both the correlated and uncorrelated cases. The variation of overall permeability between different stochastic realizations is an order of magnitude larger when the aperture and length are correlated than when they are uncorrelated. The mean square error of the directional permeability increases with increasing value of the second moment of the lognormal distribution function, and good fitting to an ellipsis of permeability tensor can only be reached with very large sizes of DFN models, compared with the case of constant fracture aperture, regardless of fracture trace length.     

大连地下石油储备库初始渗流场数值反演

 初始渗流场分析是水封式地下石油储备库设计中的重要内容和先决条件,现场压水试验只能提供较准确的各向同性渗透系数,而不能反映各向异性的渗透特征。结合大连地下石油储备库工程,提出一种基于随机节理网络模拟技术反演岩体各向异性渗透特征的方法。首先,采用三维离散元程序3DEC内置的Fish语言,直接生成不同尺寸的三维节理网络模型,通过推导的判别式来统计模型中各组节理的个数及产状信息。其次,利用裂隙介质的渗透张量理论计算不同尺寸的岩体渗透张量,进而确定节理岩体的表征体元(REV)。根据现场压水试验实测资料,修正节理岩体的渗透张量,再利用Matlab软件计算渗透主值及渗透特征向量。最后,考虑渗透系数的空间正交各向异性,采用FLAC3D的Fl_anisotropic的渗流模型反演库区的初始渗流场,为水封式地下石油储备库水幕设计及稳定性分析提供较合理的初始渗流场条件。