石英砂岩双轴压缩条件下的微观组构演化规律研究

以石英砂岩室内双轴试验为基础,建立PFC2D颗粒流数值模型,颗粒间选用平行黏结接触,根据实验所得弹性模量、泊松比、峰值应力对天然、饱和状态下石英砂岩试样进行不同围压下的细观参数标定,最终得到与室内试验基本吻合的应力-应变曲线。分析加载过程中接触力、配位数、孔隙度等细观参数的演化规律,探究石英砂岩破坏机理。结果表明:双轴压缩试验的细观参数标定可不考虑抗剪强度指标c、φ值的影响。破坏前、后,试样各方向统计范围内颗粒间都存在法向接触力和切向接触力。围压的存在影响试样起始配位数、孔隙度,对配位数和孔隙度的改变速率影响很小。研究结果表明:这种数值方法在探寻岩石试样的微观组构演化特征方面是可行的。     

应力传递对垮落岩体空隙率空间分布的影响

垮落岩体空隙率空间分布特征将直接影响采空区瓦斯涌入工作面。本文基于离散单元法,通过自主编程模拟了垮落岩体的压实过程,研究了岩块间应力的传递和演化对垮落岩体空隙率分布的影响。结果表明:垮落岩体内应力主要通过强力链向下传递,压缩量较小时,强力链主要集中在垮落岩体上部,使上部岩块受力大于下部,随压缩量增大,强力链向垮落岩体下部延伸,使上部的高应力区不断向下扩展。由于垮落岩体下部岩块受外力扰动较小,导致垮落岩体下部空隙率高于其他层位,其中下部空隙率为上部的1.1～1.4倍。垮落岩体空隙与力链空隙均呈现双峰分布,随压缩量增大,力链出现断裂,力链空隙进行重组,使岩块出现滑移,导致垮落岩体内部分大空隙分裂为小空隙。     

急斜薄矿脉崩落矿岩散体流动规律研究

基于内蒙古某金矿实际地质条件及矿岩物理性质,采用颗粒离散元法,对急斜薄矿脉崩落矿岩散体的流动规律进行数值模拟研究。研究结果表明,其颗粒的运动模型可分为倾斜边壁控制区、过渡区及自由下落区;其力的传递模型可分为均匀接触力区、卸压区及不稳定力拱区。在此基础上分析了矿岩摩擦角的变化对放矿过程的影响,尤其是对放矿过程中贫化三角矿体的大小及颗粒间接触力的影响。分析结果表明：1)上下盘围岩的摩擦角δ与矿石散体的摩擦角φ之比越大,贫化三角矿体积越大;2)颗粒间摩擦角越大,则颗粒间接触力越大,放矿过程中不稳定力拱的产生与崩塌越频繁,越容易产生稳定拱。最终,根据所得研究结果,提出了优化采场结构参数,降低矿石损失贫化的方法。     

煤层气水力压裂缝内变密度支撑剂运移规律

针对煤层气水力压裂有效支撑缝长过短且缝内铺砂浓度分布不均匀的问题,研究变密度支撑剂颗粒在裂缝内的运移规律。采用Pseudo Fluid模型考虑了裂缝内支撑剂颗粒之间的相互影响,借助Visual Studio 2012设计平台编制相应计算软件,并通过与现场监测值进行对比,校核了软件计算的准确性。讨论了压裂液黏度、裂缝壁面、排量和支撑剂密度等参数对缝内铺砂浓度和有效支撑缝长影响规律,分析了超低密度支撑剂在不同围压和温度工况下的破碎率。结果表明:坚果壳支撑剂在围压为69 MPa、环境温度为90℃工况下破碎率2%,满足现场需求;随着压裂液黏度、施工排量增加,裂缝支撑长度增加,缝内铺砂更加均匀;支撑剂颗粒直径增加使得裂缝支撑长度降低;采用变密度支撑剂较单一陶粒砂有效支撑半缝长增加了19.5 m,且铺砂效果更均匀。     

承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响,基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度,分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验,测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论,建立了承压颗粒煤分形空隙率模型,明确了分形模型的初始参数,并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：(1)在应力作用下,破碎煤体发生压实变形,造成颗粒级配发生变化,进而造成分型维数增大与空隙率发生变化,说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下,采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化;(2)通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化,获得了承压破碎煤体的分形维数,发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎,在应力加载状态下其空隙率逐渐减小;(3)通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系,建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型,理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106,可满足工程需要;(4)分析了该模型的使用条件,在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下,该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。     

基于颗粒流方法的端部放矿力链特性研究

为加深对端部放矿矿岩颗粒流动机理的认识，采用颗粒离散方法，通过均匀分布的球形颗粒描述矿岩块构成，设计了具有矿岩散体细观性质的三维无底柱数值模型，进行了放出体流动特性细观分析。利用接触力学方法计算矿岩流动过程中颗粒间的接触力和力网分布特征，计算结果表明：①放矿过程中颗粒间接触力与平均接触力的比值f不受放矿的影响，肯峰值约等于1，在f>1时服从幂函数关系，f<1时呈负指数关系；②颗粒内长度L大于3个颗粒数的力链概率服从e指数关系，一次放矿中力链较长的概率略有降低，但在任意时刻，均随着力链长度的增加而迅速下降；③放矿的全过程中，f∈［1,2］时接触力随出矿次数的增加而线性下降，但f>2时接触力不受放矿影响。     

椭球体放矿规律中的矿石接触力特性研究

为了解传统单漏斗放矿过程中散体介质体系内部微细观特性的变化、强化对传统单漏斗放矿过程中散体介质体系宏观流动特性的认识,基于颗粒离散元方法,构建传统单漏斗放矿试验模型,并结合接触力学及统计力学相关知识,对传统单漏斗放矿过程中由矿石颗粒组成的散体介质体系内部接触力概率分布密度、配位数、接触力分量比等参数进行量化研究.研究发现:随着放矿的进行,散体介质体系内部接触力集度变化规律不尽相同;放矿过程中不同类型接触力强度概率分布呈现出相似的变化规律,均呈指数形式衰减,且不同放矿节点条件下接触力强度分布规律也高度相似;散体介质体系内部总接触力分量比与强接触分量比均小于0,表明放矿过程中散体介质体系内部接触力网络的方向始终偏向铅锤方向;放矿前中期,法向接触力主要集中在铅锤方向,随着放矿的不断进行,与水平方向夹角为45°的法向接触力逐渐增加,接触力分布的主方向由一个变为多个,各向异性程度an的值也逐渐增大.研究成果强化了对单漏斗放矿过程中散体介质体系宏观流动规律的认识.     

压实过程中煤矸石颗粒流细观演化规律研究

研究煤矿矸石充填材料压实变形中的细观演化规律对提升固体充填效果有重要意义。本文采用颗粒流数值软件PFC2D,考虑压实过程中颗粒破碎,通过颗粒簇cluster单元构建煤矿矸石颗粒模型,分析在单轴侧限压缩条件下不同配比颗粒体系细观演化特征,研究颗粒力链分布、裂隙与细观特征之间的关系。结果表明:模拟模型的应力应变和破碎方式等方面与实验室试验结果有着良好的对应;分析模型颗粒内部力链分布和裂隙演化规律,发现多数力链集中在颗粒较大的颗粒单元附近,形成"骨架力链"现象,裂隙也主要产生在颗粒较大的颗粒单元周围,该现象导致大颗粒单元周围配位数个数与接触力大小较其他颗粒明显增加。     

水平井分段多簇压裂裂缝扩展数值模拟

目前,非常规储层复杂裂缝扩展数值模拟的裂缝形态多为二维形态,并且将注入地层中的压裂液视为纯液体,但实际压裂液中有支撑剂的存在,导致模拟结果与现场实际结果存在较大差异,难以直接应用于现场优化设计。因此,本文基于三维位移不连续法,考虑压裂液、支撑剂在井筒和水力裂缝中的流动情况,建立了三维分段多簇压裂数值模型,采用Newton-Raphson法求解数值模型,分析了压裂液排量、黏度、砂比和簇间距等工程因素对多裂缝扩展的影响规律。结果表明,高黏度、高排量的压裂容易形成多条宽而短的裂缝,有利于支撑剂运移形成高导流通道,而低黏度和低排量的压裂会形成多条窄而长的裂缝,影响支撑剂的运移和压裂效果。随着砂比的增加裂缝高度逐渐变大、长度变小,此时裂缝中支撑剂分布浓度增大、远端裂缝缝宽变小,裂缝内流体和支撑剂流动受阻会导致砂堵现象;随着簇间距增大,裂缝间应力阴影效应减小,各裂缝更容易独立扩展,当簇间距减小时,中间裂缝扩展受到抑制且缝宽变小。研究结果可为水平井分段多簇压裂优化设计提供理论指导。     

基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子Boltzmann方法 (LBM)-离散单元法(DEM)的数学模型,综合考虑固体运动对流场的影响,气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算,颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型,颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型,流固耦合基于牛顿第三定律,从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解,通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程,有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明:单喷口射流气速增加时,气体对颗粒的携带能力增强,喷泉区扩大,床内空隙率分布增大,速度脉动变大,颗粒拟温度升高,床层膨胀高度提高;而在多喷口系统中,相邻喷口间存在较强的横向扰动,在床层底部喷泉区出现明显射流合并,位于中心射流区域的颗粒获得较高动量,喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%,时均空隙率范围扩大,颗粒拟温度升高,且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%,颗粒势能增加66.07%,动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。     

煤储层压裂裂缝导流能力计算模型及应用

裂缝导流能力是影响煤层气井产能的重要因素之一,除实验研究裂缝导流能力外,还需应用数学方法建立裂缝导流能力计算模型,实现对裂缝导流能力快速有效的评价。以Carman-Kozeny公式为基础,建立了不同条件下的煤储层裂缝导流能力计算模型,分析了支撑剂尺寸、铺置层数、闭合压力与裂缝导流能力的关系。结果表明:支撑剂粒径越大,铺置层数越多,裂缝导流能力越大;闭合压力与裂缝导流能力呈现负相关关系;相同闭合压力时,支撑剂多层铺置的导流能力明显大于单层铺置时的导流能力。建议在压裂前期,使用较小粒径的支撑剂,使裂缝延伸更长;后期尾追较大粒径的支撑剂,提高近井地带的导流能力。     

地应力作用下水力裂缝中支撑剂导流能力的数值模拟研究

目前,对水力裂缝内支撑剂的运移及其导流能力的研究主要通过实验进行,而完全基于数值模拟的研究不多。基于颗粒离散元对水力裂缝中支撑剂数值模拟的结果,通过数字重构方法,得到了水力裂缝内支撑剂堆积结构的数字模型;在重构的数字模型基础上,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),模拟了单相流体在支撑剂孔隙结构内的流动过程,进而得到了不同地应力水平下不同支撑剂的绝对渗透率,且数值计算结果与Kozeny-Carman经验公式吻合。研究结果发现,地应力作用下,裂缝张开度减少,支撑剂颗粒更加密实,可能出现支撑剂嵌入到岩石中的现象;随着地应力的增加,裂缝内支撑剂堆积体的孔隙度减少,比表面积增大,渗透率减少;相同地应力作用下,支撑剂粒径越大,其孔隙度越低,比表面积越小,越易出现支撑剂嵌入现象,渗透率减少越大,但其值一般总大于小粒径支撑剂的渗透率。     

煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制

煤层气井排采过程中,压裂裂缝导流能力大小变化,直接影响压降漏斗扩展范围,进而影响煤层气井产气量的高低。以晋煤集团寺河矿3号煤制作煤片,以兰州石英砂为支撑剂,运用FCES-100裂缝长期导流能力评价仪,在实验室物理模拟了排采过程中煤储层压裂裂缝的导流能力变化规律。实验结果认为：煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力具有较强的应力敏感性,如果控制排采降压连续缓慢稳定进行,可以使压降漏斗充分扩展前应力敏感对导流能力的伤害较小;在水力压裂施工中可以通过增加砂比来减小支撑剂嵌入的影响,对于深井选用更高强度支撑剂可以克服支撑剂破碎引起的伤害;不稳定和断续排采可造成压裂裂缝导流能力快速下降,只有坚持排采降压的“连续、缓慢、稳定”进行,才能避免应力敏感和流速敏感带来的储层伤害,确保煤层气井开发取得好的效果。     

支撑剂在人工裂缝储层中的应用研究

针对人工裂缝储层中填充支撑剂的运用探索,分别设立了2种不同的填充方式和4种填充程度,采用应力敏感性实验和导流能力测试实验,观察各岩心间的应力敏感性和导流能力差异,探究支撑剂在人工裂缝储层中的应用研究。结果表明:2种铺砂方式均存在当充填层中支撑剂含量较少时,随有效应力或闭合压力的增大,支撑剂难以支撑储层表面,渗透率和导流能力迅速下降;80%铺砂浓度充填层岩心的临界压力为16.08 MPa,80%铺砂空间充填层岩心的临界压力为17.13 MPa,2块岩心均是前半段体现储层裂缝渗透率的应力敏感性,后半段体现基质渗透率的应力敏感性;导流能力测试实验结果表明,当闭合压力在10~70 MPa时,80%铺砂空间充填层的导流能力明显高于80%铺砂浓度充填层的导流能力,证明支撑剂的排列方式对储层导流能力有着积极影响,并在油气田开发应用中提出了新的见解思路。     

寿阳和柿庄区块煤储层压裂效果及其影响机理分析

通过分析寿阳和柿庄区块携砂液阶段的压力曲线类型,对压裂效果进行了评价,创新性地对携砂液阶段的砂比曲线类型进行了划分,揭示出压力曲线类型与砂比曲线类型之间普遍存在的统计对应关系,以此为基础,考虑地应力类型、煤岩与围岩力学性质及应力差异多因素,分析了煤储层压裂效果影响机理。研究表明:①压力曲线可划分为下降、稳定、上升和波动4种类型,是评价压裂效果的直接依据;②砂比曲线可划分为连续和断续两种类型,发现压力曲线类型与砂比曲线类型之间存在普遍的统计对应关系,其成因机制为:在弱挤压应力井层(正常应力场),在携砂液阶段早期垂直压裂缝扩展路径选择过程中,易出现砂堵,多形成断续型砂比曲线,随后,若满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝垂向扩展压开顶底板,即逐层压开顶底板不同岩性层,易出现波动型压力曲线。若不满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝被限制在煤层内侧向扩展,易出现稳定型、下降型和上升型不同类型的压力曲线;③与柿庄区块相比,寿阳区块出现断续型砂比曲线和波动型压力曲线占比的双高现象,整体压裂效果较差,其根本的地质因素是该区块的应力状态决定多数井层发育压开顶底板的垂直压裂缝,为无效造缝,使得压裂效果不佳;④砂比曲线可作为预警曲线,若砂比曲线为断续型,且压力曲线开始出现上升或波动,预期压裂效果差,可考虑提前终止压裂。     

液固流化床内颗粒沉降特性试验研究

以小于1.5 cm的粗煤泥颗粒为研究对象,根据密度级和粒度级的不同,将粗煤泥分成20种窄密度级和窄粒度级的均质颗粒,在 100 mm液固流化床粗煤泥分选机内,分别进行自由沉降试验和干扰沉降试验,干扰沉降包括干扰沉降速度的试验和悬浮体密度的测量。结果表明,分选机内的流态应属于过渡区域,阿连公式是粗煤泥颗粒自由沉降末速的合适公式;影响干扰沉降速度的主导因素是介质中固体颗粒数量的多少和粒群的结构特点,固体容积浓度λ越大,颗粒的干扰沉降速度降低系数β越小;机体内从底部到顶部,流化床中悬浮体的密度逐渐减小,但在接近悬浮体顶部,悬浮体的密度稍有增加;随着密度和粒度的增加,悬浮体密度自下而上减小的程度增大。     

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明：急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。     

煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及其防控

针对煤层气井的煤粉伤害问题,运用LD-1A导流能力测试系统模拟了煤层气井变排量、恒排量及间抽过程中煤粉在支撑裂缝中的运移沉积情况,分析了不同流速下煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及伤害机理。实验表明:煤粉易滞留沉积在支撑裂缝底部严重影响导流能力,导流能力伤害率可达90%以上;在没有煤粉持续进入支撑裂缝的情况下,有效排出煤粉导流能力有增大的趋势;排采制度、煤粉质量含量、煤粉粒径对导流能力的影响特征存在明显差异;煤粉随水运移时对支撑剂窄口的疏通作用和聚集堵塞作用共同影响支撑裂缝导流能力。压裂前期使用小粒径支撑剂,尾追大粒径支撑剂,合理控制排采速度,使排采速度略小于煤粉运移的临界流速,并使用煤粉分散剂,有利于适量排出煤粉减小导流能力伤害。