水力致裂法测定分形裂纹下岩石的断裂韧性

 引入分形几何理论,应用分形方法来描述岩石断裂裂纹的曲折形态,进而建立分形裂纹下的岩石断裂韧性理论模型。在此基础上,应用自主研制的内压法岩样断裂韧性测试系统对不同假设条件下的岩石断裂韧性进行测定。结果表明,分形裂纹模型测试得到的岩石断裂韧性大于直线模型的断裂韧性,这也从理论上证实了目前水力压裂作业中理论计算值常低于施工压力的结论,说明应用该文的模型计算结果更接近实际情况。     

围压下的泥岩断裂韧性测试

根据围压条件下的断裂力学理论,对泥岩进行了不同围压和不同泥质含量条件下的人工岩样断裂韧性测试.在进行大量实验测试的基础上,利用ANSYS软件计算断裂韧性数值.通过回归分析表明,断裂韧性与围压、泥质含量有较好的线性统计关系.较好地解决了水力压裂设计所需的断裂韧性这一重要参数的获取,有利于提高压裂设计、预测的精度.     

大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析

采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件,对天然岩样和人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟实验,并实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监测。讨论了地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩展的影响。     

利用测井资料预测岩石II型断裂韧性 的方法研究

 根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石II型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的II型断裂韧性。基于试验数据,分析II型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型。利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测II型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证。该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题。     

利用测井资料预测岩石Ⅱ型断裂韧性的方法研究

根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的Ⅱ型断裂韧性.基于试验数据,分析Ⅱ型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型.利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测Ⅱ型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证.该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题.     

砂岩加载试验峰后变形、破坏与应变能特征

 为认识峰后破裂岩样在连续载荷作用下的变形、破坏特征及应变能变化情况,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿砂岩样进行三轴等围压试验。在试验基础上提出岩样破裂比(r)概念,它反映峰后破裂岩样相对于完整岩样的破裂程度,r越小表示岩样破裂程度越高,r最大值为1,最小值为岩样残余强度与峰值强度之比。结果分析表明：低围压作用下破裂比与其对应割线模量、轴向应变量、应变能之间的线性关系较好;峰后破裂砂岩样在连续加载后,呈现“X”剪切破坏模式;岩石最大泊松比可通过峰后连续加载试验确定。研究结论对认识岩石突出和岩爆机制有重要意义。     

III型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石III型断裂韧性的试件及装置，测得比较稳定的花岗岩及大理石的III型断裂韧度。同时，也实测铸铁和低碳钢的III型断裂韧性，并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件III型裂纹应力场进行分析，得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值 随裂纹深度d 的变化关系。从而揭示随裂纹深度d的增加，III型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。     

损伤与破裂岩样力学特性试验研究

深地矿产资源开发中所要面对的是与浅部巷道有着本质性差异的破裂围岩,破裂围岩的力学特性与完整岩石差异性较大。为探究损伤和破裂岩石的力学行为,提出采用同时卸除轴压与围压的三轴卸荷试验来制备损伤和破裂岩样的试验方法,定义一种基于弹性模量的劣化和考虑塑性变形影响的适用于描述岩石损伤破裂行为的表观损伤破裂变量。采用MTS 815岩石力学试验系统开展峰前、峰值、峰后及残余等8个卸载点的三轴卸荷试验,获得不同损伤破裂度的岩样。通过开展损伤与破裂岩样再承载特性的三轴压缩试验,揭示了损伤和破裂岩样的峰值应力、强度与变形参数、扩容特性与围压及损伤破裂度间的变化规律。试验结果表明,不同损伤破裂度岩样的三轴再加载试验应力–应变曲线仍具有完整岩样常规三轴压缩试验的五阶段,但高损伤破裂度岩样的峰后软化段曲线逐步平缓,表现出一定的塑性变形特性。岩样的峰值应力、强度和变形参数与围压呈正相关,围压对岩样的体积扩容具有显著的抑制作用。随着岩样损伤破裂度的增大,卸荷后再加载岩样的体积应变越易产生扩容现象,岩样的峰值应力、弹性模量随之降低,而广义泊松比随之增大。     

Ⅲ型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石Ⅲ型断裂韧性的试件及装置，测得比较稳定的花岗岩及大理石的Ⅲ型断裂韧度。同时，也实测铸铁和低碳钢的Ⅲ型断裂韧性，并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件Ⅲ型裂纹应力场进行分析，得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值σl/τzθ随裂纹深度δ的变化关系。从而揭示随裂纹深度鳓增加，Ⅲ型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。     

水力裂缝延伸过程中的岩石断裂韧性

以断裂力学和塑性力学理论为基础，对水力裂缝端部在延伸过程中的塑性区进行了研究，并据此对地层岩石中水力裂缝附近的塑性区的范围进行了定量研究，同时，对塑性区内断裂韧性的变化对水力裂缝几何尺寸的影响进行了研究，这对水力压裂设计及压裂压力分析等具有指导意义。     

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

 射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明：利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

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。     

不同预静载硬岩在动力扰动下断裂特性的试验研究

 为了研究不同预静载水平下硬岩受不同扰动频率载荷的断裂特性变化规律,采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样(Semi-Circular Bend,SCB),利用MTS Landmark电液伺服试验机,开展“不同预静载+动力扰动”下砂岩的断裂韧度测试试验。以岩石静载断裂载荷为基础,选取4个预静载水平(60%,70%,80%和90%的静载断裂载荷)作为初始静载状态,之后分别施加扰动载荷直至试样断裂。扰动加载方式采用正弦波载荷,加载波幅值依次为静载断裂载荷的40%,30%,20%和10%,设置扰动频率分别为1,10,20,30,40和50 Hz。研究结果表明,不同预静载水平下岩石的断裂韧度值较常规加载下都有不同幅度的减小,并且随着扰动频率的增加,岩石断裂韧度呈线性减小的趋势。但不同预静载水平之间的减韧效应存在差异性,预静载水平越高,减韧幅度越大。与常规加载条件下相比,预静载水平下的断裂位移整体具有减小的趋势。岩石扰动断裂点的分布区段具有明显的集中性,当预静载水平低于90%时,断裂点位于预应力水平之上的加载段,而当预静载水平为90%时,断裂点多数位于预应力水平之上的卸载段,并且基本上没有断裂破坏发生在预应力水平之下。断裂疲劳寿命随扰动频率的增加出现先增大后减小再增大的趋势,整体呈增加趋势。断裂破坏时间跟预静载水平、扰动频率之间的相关性不明显。综合考虑认为,扰动频率为10 Hz时达到相对最优的致裂效果。     

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。     

储层非均质性对水力压裂裂缝扩展的影响研究

为了研究滤失和储层非均质性对水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展形态的影响,在前期建立的水力压裂流固耦合模型基础上,增加考虑多孔介质内流体流动,裂缝-孔隙间的流体交换和射孔流量分配的物理过程,形成了用于多簇射孔水力压裂裂缝扩展的裂缝-孔隙流固耦合模型,并数值模拟研究了致密砂岩气储层性质均质、非均质下水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展。研究发现:(1)滤失对中间簇射孔水力压裂裂缝扩展影响较大;(2)在储层均质情况下,多裂缝呈对称扩展,而在储层杨氏模量、抗拉强度、基质渗透率等非均质分布情况下,多裂缝呈非对称、非均匀扩展;(3)在储层复杂非均质情况下,四簇和三簇射孔水力压裂存在射孔簇过度改造、欠改造、甚至未起裂扩展的情况,尤其是在小间距条件下的四簇射孔。而两簇射孔水力压裂即使在间距较小时裂缝也能正常起裂扩展。因而,为了裂缝更多地有效扩展,在实际工程中,如果水力压裂密集施工,建议采取两簇射孔压裂;如果水力压裂不密集施工,兼顾施工成本建议采取三簇或四簇射孔压裂。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

Fracture toughness of a soft sandstone

Fracture toughness of a rock/material is important in the design of rock drilling/boring equipment, rock bursting, prediction of rock drilling forces, hydraulic fracturing, wellbore stability and stability of jointed rock masses. A series of fracture toughness tests under mode-I, mode-II and mixed-mode (I–II) loading conditions were conducted on straight-edge notch Brazilian disk (SENBD) specimens in an attempt to develop an empirical failure envelope under both tension-shear and compression-shear conditions. This series of tests is the first of its kind on a naturally weakly-cemented Antler sandstone. Even though there have been published data on artificially cemented sandstones, there are no data on mixed-mode fracture toughness of such soft formations. The SENBD specimen configuration used herein provides consistent failure patterns and development of a failure envelope in the compression-shear zone, as well. Microscopic studies using thin sections of tested and untested specimens were carried out to study the fracture propagation at micro-level.