钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现：在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。     

水、ScCO_2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究

为研究不同压裂条件下致裂煤体裂纹形态与形成机制,采用无烟煤试件在轴压/围压分别为12/10,14/10和16/10MPa下开展水力、ScCO_2压裂试验,综合运用显微CT和三维形貌扫描表征压裂后裂隙煤体的内部裂纹形态、裂纹面粗糙度特征,并讨论不同压裂条件下致裂煤体裂纹的起裂扩展机制。结果表明:ScCO_2压裂形成的裂纹数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高,显微CT得到的孔裂隙率表明ScCO_2压裂改造范围大于水力压裂;与水力压裂不同,ScCO_2压裂影响范围更大、释放的能量更多,导致裂纹网络趋于一次形成;水、ScCO_2压裂裂纹起裂扩展均受地应力状态、层理弱面的影响,只有垂向地应力差异系数大于0.6,才能产生纵向主裂纹,反之,产生横向主裂纹;采用最大拉应力理论能较好预测产生纵向裂纹的临界起裂压力,而基于莫尔–库仑理论推导的起裂准则,能较好预测水、ScCO_2致裂煤体下产生横向裂纹的临界起裂压力,相对误差在5%以内。     

溶浸–应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

为了研究钙芒硝岩在原位溶浸开采过程中的蠕变力学特性,采用自主研发的多功能岩石力学试验机,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa条件下,不同渗透压(3,2,1 MPa)作用下的三轴蠕变力学试验。模拟溶浸开采生产过程,将钙芒硝蠕变过程分为溶浸连通蠕变阶段、饱水蠕变阶段、排水蠕变阶段和轴压20 MPa蠕变阶段4个阶段,对比分析了上述4个阶段的钙芒硝盐岩的蠕变特性差异。研究结果表明:在溶浸连通蠕变阶段,渗透压力越大,溶解连通时间越短;反之,则时间越长。在溶浸连通蠕变阶段和饱水蠕变阶段,不断演化的矿物溶解与相对恒定的有效应力对钙芒硝盐岩的蠕变变形起主要影响;在排水蠕变阶段和轴压20 MPa高压变形阶段,溶浸作用历史过程及其对钙芒硝盐岩固体骨架力学性能的弱化程度决定了钙芒硝盐岩的变形特性。曲线拟合结果表明,广义Kelvin模型能够较好地描述溶浸渗透加载作用下钙芒硝盐岩的三维压缩蠕变力学特性。该研究结果不仅揭示了钙芒硝盐岩在特殊的溶浸–应力耦合作用条件下的蠕变特性,同时,也可为钙芒硝盐矿溶浸过程中矿体稳定性分析提供一定参考依据。     

不同水压增量下单孔页岩数值模拟研究

页岩储层的脆性矿物含量和分布是影响水力裂缝扩展的主控因素之一,为探究流固耦合作用下单孔页岩水压致裂过程中裂缝扩展规律,利用RFPA2D-Flow页岩破裂分析软件建立7组不同水压增量的数值模型,进行水力压裂数值模拟计算。研究表明：在加载过程中初始裂纹从单孔页岩孔周开始沿着页岩基质和石英交界最薄弱部位先产生微裂纹,裂纹沿着石英颗粒边缘扩展,其最终破坏模式可分为斜Y型和斜X型;由于围压和水压力耦合作用下,破坏过程出现两次损伤劣化,水压增量为0.45 MPa·step^-1时,页岩损伤破坏应力最大,损伤破坏值为60.97 MPa。随着应力水平的增大,裂缝率大致呈增大的趋势,当内部应力平衡被打破时,页岩产生的微裂缝会被压密,当水力压裂增量为0.45 MPa·step^-1时,裂缝率达到最大值。     

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。     

基于最大周向拉应变断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

通过对裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项(T应力)的考虑,建立基于最大拉应变准则的岩石裂纹水力压裂的开裂判据,推导临界水压和起裂倾角的计算式。以此为依据计算水压致裂中的临界水压和临界偏转角的变化规律,分析裂隙倾角、围压、临界裂纹区尺寸、T应力、泊松比等因素对其影响作用。研究结果表明:随着围压、临界裂纹区半径以及泊松比的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。T应力对水压驱动型裂纹的扩展影响较小,但对外荷载作用下的裂纹扩展特征却有显著的影响。通过与试验结果的对比,考虑T应力的计算结果更为合理。     

钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究

溶解是盐类矿物的基本特性，渗透是流体在溶质浓度梯度、压力梯度及二者共同作用下经过多孔介质的运动。由于矿物组分溶解特性的差异，在一定渗透压力作用下，钙芒硝盐岩体内会产生溶解渗透交互促进作用，从而由低渗透介质变为高渗透的多孔介质，其渗透及力学特性受其矿物组分硫酸钠溶解程度的影响极大，这种特性称之为溶解渗透力学特性。实验结果表明，钙芒硝盐岩的渗透率为溶解渗透时间及渗透压的函数。在围压为2.0MPa、初始渗透压为1．0MPa的溶解渗透作用下，获得不同溶解渗透时间时渗透率与渗透压的关系。由于溶解渗透使得矿物组成及其结构的变化，钙芒硝盐岩在溶解渗透前后三轴力学特性差异也很大，在2．0MPa围压的作用条件下，溶解渗透49h之后，钙芒硝盐岩的强度由未溶解渗透时的46．53MPa，降低为溶解渗透后的11．42MPa：与此同时，弹性模量也由43．700MPa降低为0．834MPa。因此，溶解渗透对钙芒硝盐岩的力学特性有着极大的影响。     

钙芒硝盐岩物理力学特性研究

通过系统的试验研究难溶性盐钙芒硝基本的力学特性以及溶解和其溶解后的孔隙率等,充分认识了钙芒硝岩盐的物理力学特性.实验发现钙芒硝岩盐属于软岩,其抗压强度为18.86 MPa,而抗拉强度实测值为2.59 MPa,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料.通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.012ln(t)-0.0056,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率.钙芒硝属于难溶性盐,其溶解率非常低,在水中溶解速率曲线方程为vt=-0.0005Ln(t) 0.0041;溶解速度方程为v=-0.0002Ln(t) 0.0015.通过理论分析计算得出其溶解完全后孔隙率为35.87%.溶解速率、溶解速度及溶解后孔隙率的研究对充分认识难溶性钙芒硝盐岩水溶开采机理有指导意义.     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究

通过Ⅰ型断裂试验、3D形貌扫描技术,对沁水煤田15#煤的3种不同层理方位条件下Ⅰ型断裂特性、断裂面形貌特征以及层理、内生裂隙等影响下I型裂纹扩展规律进行了分析研究;并通过水压致裂试验,验证了约45°天然裂隙面对水力裂缝扩展的影响。结果表明:沿平行层理方位煤岩的断裂韧度KIC、断裂面面积、线粗糙度在3种方位中最低;在正交及垂直层理方位断裂时,煤岩体中裂纹扩展的有效路径更长,更有利于连通较多的孔裂隙,进而有利于改善煤层渗透性。同时,在该煤岩I型断裂试验中,在内生裂隙影响下裂纹扩展路径在正交层理方位的波动偏转角度最大,近似达30°;在该含天然裂隙煤岩水压致裂试验中,水力裂缝贯穿45°天然裂隙面扩展,沿垂直层理方位压裂后,裂面面积比其投影面积增大约0.3倍。结论对煤层气压裂增透工程具有一定指导意义。     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

高水平应力差下水平井螺旋射孔参数优化研究

在压裂施工中,射孔是一个重要环节。射孔能够降低岩石破裂压力,减少近井筒缝网结构的复杂性,有利于水力压裂之后的油井增产。通过开展大尺寸真三轴室内实验,研究水平应力差大小以及在高水平应力差下射孔相位、射孔密度和射孔簇间距对于裂缝的形态、裂缝面的扩展和岩石破裂压力的影响。实验证明:在高水平应力差下,由于地层的各向异性,导致地层的能量不稳定性,有利于相邻裂缝扩展的相互影响,减少近井筒附近的裂缝的复杂性,同时减少岩石的破裂压力;在高水平应力差下,射孔相位增大时,射孔间距变大,不利于相邻裂缝的沟通,增加了近井筒裂缝的复杂的可能性。通过物模实验表明,与射孔相位为90°相比,射孔相位为60°形成的单一平整裂缝扩展面更有利于油井增产,同时岩石破裂压力更小,有利于水力压裂;射孔簇间距适当增加,能够减少两簇之间的相互影响,能够增加多簇同时起裂的可能性,同时还能增加射孔过程中总的射孔起裂数量;射孔密度增加还能减少孔间距,减少相邻射孔之间相互影响的能量,减少近井筒裂缝的复杂性,同时还能够有效地减少岩石破裂压力。     

溶浸-应力条件下钙芒硝孔隙率变化规律研究

采用原位溶浸法开采钙芒硝矿,会使钙芒硝内部物理结构改变,随之会引起其力学性能及渗透性的改变,从而影响原位溶浸开釆效率。利用μCT225kVFC型显微CT试验系统,得到不同溶浸温度、单轴压缩条件下钙芒硝内部结构CT图像,通过孔隙率值的变化归纳出钙芒硝变形和溶蚀规律。研究表明:钙芒硝在35 ℃水中溶浸10 h后发生膨胀,在1 MPa轴向载荷下,处于孔裂隙压密向弹性变形过渡阶段;钙芒硝在浸泡后孔裂隙增长明显,施加1 MPa轴向载荷后,孔裂隙增长不明显;溶浸温度为65 ℃时,钙芒硝孔隙率增长值最大;95 ℃时,孔隙率增长率最大,孔隙变化最明显。研究结果对钙芒硝矿床开采利用具有重要参考价值。     

人为弱面对坚硬难垮顶板水力压裂的影响研究

弱面对水压裂隙的扩展有着重要影响,为达到有效控制坚硬难跨顶板,需要研究人为弱面对水力压裂的影响。根据水压裂隙产生及扩展机理,运用数值模拟试验方法,通过声发射及剪应力分布研究了3种人为弱面影响下的水力压裂过程中裂隙扩展特征,对比分析了 7种压裂方式下的水力压裂数据。结果表明:预制裂隙开挖形成的层理弱面和监测孔开挖形成的应力卸压圈均能影响水压裂隙的扩展,在扩展方向上水压裂隙往往偏向于高孔隙水压力的区域扩展,且其在扩展一段之后受顶板自由面影响,主裂隙向工作面两端延伸4.5~8.5倍孔径的区域时会发生近90°的空间转向。水力压裂数据研究表明,预制裂隙和监测孔协同作用强化了控制坚硬难垮顶板的效果。     

Hydraulic fracturing in a cubic soil specimen

Based on fracture testing results for a cohesive soil, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. From the criterion, the mechanism of hydraulic fracturing in a cubic soil specimen was investigated. The envelope-shaped crack prefabricated in the cubic soil specimen was propagated by increasing water pressure in the crack. The propagation of the crack may occur in mixed mode I-II or mode I. While the crack face is not perpendicular to any of the maximum, medium and minor principal stresses on the specimen surfaces, its propagation may occur in mixed mode I-II. But while the crack face is perpendicular to the minor principal stress, the crack is the most likely propagating one, and its propagation may occur in mode I.     

裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析

以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上，在众多岩体工程中，其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究，首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的Ⅰ型应力强度因子的计算方法，讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理，分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。