采煤工作面局部风流雾化降温效果分析

为分析低温雾化喷淋对高温采煤工作面局部风流的降温效果,采用Eulerian-Lagrangian二相流描述方法,通过液滴与湿空气的双向耦合作用,对高温风流的降温效果进行了数值计算,计算结果表明：1次降温后,风流温度约有4℃的急剧降低,1排喷嘴的有效作用距离为10 m,10 m后,风流温度又逐渐升高1.5℃,总体上,回采面风流的温度呈现出阶跃性的上升趋势;拟合得到的风流降温效果随喷嘴流量呈负指数变化;液滴喷射角在70°~90°范围时,降温效果较明显,而细水雾的高压雾化喷嘴能明显提高降温效果。     

基于圆孔扩张理论的筋箍碎石桩承载力计算方法研究

碎石桩沿桩身围裹一圈土工格栅后成为筋箍碎石桩,其受力机理变得更加复杂,筋材特性必定会对桩体承载力产生影响。基于圆孔扩张理论,合理假设单桩有效加固范围边缘土压力为静止土压力,获得了可考虑筋箍与桩、土协调变形的筋箍碎石桩复合地基极限承载力计算方法,并结合工程实例与现有研究成果对该计算方法进行对比验证,结果表明该方法与实际工程吻合性更高,最后,在该方法的基础上,分析了各参数对筋箍碎石桩复合地基承载力的影响,分析结果表明:筋箍碎石桩的最优加筋深度不是一个定值,而是随着筋材性能和桩周土体条件的变化而变化。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

利用黏滞剩磁进行水平地应力定向的试验研究

为了快速准确地对地层水平地应力进行定向,指导页岩气的水力压裂开采,研究利用岩心的黏滞剩磁定向方法。该方法可以克服一般古地磁定向的不足,在不考虑地层年代和复杂构造运动的情况下还原岩心在地层中的原始方位。利用热退磁手段分离出黏滞剩磁,对岩心进行定向,并对取自重庆涪陵地区某页岩气井多个层位的岩心进行了古地磁测试。结合声发射Kaiser效应测得的地应力资料,对测试结果进行处理,得到取心层位最大水平主应力的方位角,与先期地震资料的结果进行比较,二者具有较好的一致性。研究结果表明,利用黏滞剩磁进行水平地应力定向的方法是可行、而且有效的。      

张拉作用下页岩裂缝扩展演化机制研究

为深入认识张拉作用下页岩裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应,通过三点弯曲和巴西劈裂试验,系统研究张拉作用下不同层理方位页岩裂缝的扩展演化形态,探讨裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应。结果表明:(1)三点弯曲时,裂缝沿Arrester方位扩展时,会出现弱层理开裂和断裂路径偏移,易分叉、转向形成复杂的扩展形态;裂缝沿Divider方位扩展时,会出现断裂路径偏移,易剪切转向;裂缝沿层理扩展时,断裂路径为层理,较平直,无转向现象。(2)巴西劈裂时,层理方位对裂缝的起裂点、起裂机制、扩展路径和扩展机制等影响较大;垂直或斜交层理加载时,裂缝多自加载鄂起裂,扩展路径一般呈弧形,多伴随沿层理和贯穿层理的剪切破裂,且扩展中张拉和剪切断裂此消彼长,共同控制裂缝的扩展形态;仅Short-Transverse方位裂缝自圆盘中心起裂,扩展路径为层理,无转向现象,为纯张拉裂缝。(3)张拉裂缝沿层理扩展时,应力能促使其转向;而当张拉裂缝垂直或斜交层理扩展时,易出现分叉、转向和弱层理开裂等复杂扩展行为,形成相对较复杂的扩展形态;裂缝的复杂扩展行为与受力条件、裂缝与层理的相对方位直接相关,层理和受力条件对裂缝的扩展起主控作用。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。