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。     

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。     

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。     

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。     

大安寨介壳灰岩力学参数特征及水力压裂物理模拟研究

通过大安寨先导井焦页3-2HF井下全尺寸岩心及对应储层介壳灰岩露头岩心,开展介壳灰岩微观特征、岩石力学参数及水力压裂裂缝扩展物理模拟试验。结果表明:(1)介壳灰岩层间微缝隙及次生微孔隙较发育,孔隙度在0.04%~4.5%,平均1.4%左右,局部裂缝发育;(2)介壳灰岩在平行与垂直层理面方向存在弱各向异性特征,单轴压缩表现明显的硬脆性特征,有利于压裂缝的起裂与扩展延伸;(3)三轴压缩围压增加,试样的承载力和刚度提高,屈服应力和峰值强度增大,弹性模量较单轴时明显增大,破裂模式由脆性向延性转化;(4)介壳灰岩压裂后主要形成垂直于最小水平主应力方向的压裂裂缝,同时压裂缝可沟通天然裂缝,形成交叉压裂缝,有利于提高油气采收率通道。     

页岩气储层变排量压裂的造缝机制

裂缝性页岩储层压裂时,如何通过调节压裂泵排量,使水力裂缝沟通更多天然裂缝,是缝网压裂的关键。选取龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂试验,压裂过程中以逐步阶梯式方式提高排量,实时分析变排量压裂时水力裂缝扩展行为以及与天然裂缝的沟通情况。试验结果表明：采用变排量压裂,初始阶段,随着压力逐渐升高,会在井筒周围的弱面附近产生多个待破裂点,随排量突然提高会使水力裂缝沿着多个破裂点动态分叉扩展。随着排量阶梯式升高,泵压明显升高,排量越大,泵压波动越大,水力裂缝与天然裂缝沟通形态越复杂,天然裂缝产状和缝内净压力等影响到水力裂缝进一步沟通程度。试验结果证实,变排量压裂可以激活更多天然裂缝,有助于形成复杂裂缝网络。     

基于真三轴强度准则分析页岩斜井坍塌风险

井壁稳定性分析常采用Mohr Coulomb(M-C)准则,由于其忽略了中间主应力(σ_2)的影响,使得结果偏于保守。为此,给出一种考虑了σ_2影响的真三轴Mogi Coulomb(MG-C)准则,通过拟合Yuubari页岩真三轴实验数据,评价了M-C、Drucker Prager(D P)和MG-C准则的适用性;基于孔隙弹性斜井井壁应力分布模型,采用3种强度准则进行了斜井相对坍塌风险的分析。研究表明,MG-C准则拟合结果最好,能够准确反映σ_2对强度的影响,岩石强度随σ_2增加,先增加后下降;采用3种强度准则计算的斜井相对坍塌风险分布规律基本一致,M-C准则计算结果偏高,D-P准则计算结果偏低,而MG-C准则比较准确地考虑了σ_2的影响,其计算结果比较适中,比较适合用于井壁坍塌压力分析。MG-C准则的材料常数可通过常规三轴岩石力学参数(内聚力和内摩擦角)计算得到,使得MG-C准则使用方便,采用测井资料分析井壁稳定可得到连续坍塌压力剖面。     

广州粘土真三轴试验研究

通过对广州原状粘土不同围压和不同中主应力系数下的周结不排水真三轴剪切试验,分析结构性粘土在固结不排水剪切状态下的应力与应变、强度与变形特性,并研究偏应力、孔隙水压力,应力比,有效主应力比值随不同围压和中主应力系数的变化规律。     

土体真三轴仪研究现状

由于土体具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的特点,土体颗粒在主应力轴旋转条件下不可避免地会产生不同的破坏形式,因此,研究不同沉积角土体的应力应变特性是很有必要的。在自然界中土体受到来自X、Y、Z三个方向大小不同的力,所以土体只有在三维受力状态下才有工程研究意义,真三轴仪是真正实现三维空间土体力学特性测定的设备。本文分析了国内外真三轴仪的研究现状,对其辅助装置土体制样器、加载装置的研究进行了探讨,分析了辅助装置在试验应用中存在的问题,并对未来的研究做出展望。     

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而,到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此,对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明,页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致,因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力,与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的,这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外,对微裂纹长度的统计分析表明,页岩在断裂韧性方面表现出各向异性,并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

动力水力压裂的相场模拟方法

 水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究

基于颗粒流基本理论和物理试验结果,通过改进PFC3D程序中的内置代码,生成包含clump颗粒的混合试样以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷,模拟粗粒土在真三轴状态下各主应力方向上的单向加荷试验,并从宏观和细观角度分析了复杂应力状态下粗粒土的应力诱发各向异性特征。试验结果显示:复杂应力状态对各向异性的诱发作用显著,各向宏、细观参数及应力–应变曲线显示出了显著的各向异性;单向加荷试验中加荷向始终为压缩变形,侧向变形复杂,且受初始中主应力系数B影响显著,且B值对非加载向泊松比的各向异性及加载向应力–应变曲线的影响亦较明显;模拟试验中配位数、孔隙率等细观参数的变化趋势能够反映试样体积变形的类型,两个细观参数的取值大小影响抗剪强度的强弱,并且各主应力方向单向加荷时,对应相同的应力增量配位数、孔隙率等细观参数表现出显著的各向异性;从细观角度看,应力诱发各向异性产生的原因归结于侧向围压差异所引起的细观结构变化。     

水力压裂三维数学模型研究

根据渗流力学、岩石力学、传热学、断裂力学知识，建立了油水井三维水力压裂模拟计算的数学模型。模型考虑了压裂液的流变性、支撑剂在压裂缝中的运移、压裂液与储层岩石的热交换以及压裂过程中的流固耦合作用，给出了裂纹扩展和流固耦合计算的数值解法，通过算例验证了所提出数学模型的合理性。     

基于统一弹塑性有限差分法的真三轴数值模拟

基于拉格朗日有限差分方法,建立了以强度参数c和φ表示的关于应变硬化模型的统一弹塑性有限差分格式;在VC++中编写动态链接库文件,将有限差分格式表示的统一弹塑性模型导入FLAC3D中进行计算分析。主要内容为运用统一弹塑性有限差分方法,对软土的真三轴试验进行了模拟分析。在FLAC3D中使用统一弹塑性模型针对上海软土的真三轴试验进行了不同围压和不同中间主应力比条件下的应力应变关系的数值模拟,并与实测数据进行了比较分析。通过分析可知,统一强度理论的中间主应力影响系数B为0.5时能够反映真三轴试验的软土强度特性。     

页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂数值模拟研究

为明确页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂机制,利用Abaqus有限元计算软件,建立三维单级三簇射孔和单射孔段(包含天然裂缝)的压裂裂缝起裂计算模型,研究地应力、井筒方位、射孔参数以及天然裂缝等对裂缝起裂压力和位置的影响。结果表明:裸眼射孔的起裂压力远低于套管射孔;起裂压力随最小水平地应力的增加而增大,但影响程度受垂向地应力与最小水平地应力的比值控制;最大水平地应力和垂向地应力的变化对起裂压力影响不显著;起裂压力大致随井筒方位角的增加而减小,当存在天然裂缝时,起裂压力没有任何线性规律,天然裂缝在剪应力区易发生剪切滑移起裂;起裂压力随射孔方位角的增加先减小后增大,射孔方位角的变化严重影响裂缝的起裂形态;起裂位置与最小和最大水平地应力、井筒方位角和天然裂缝的胶结强度、方位密切相关;由于内部射孔受到两侧射孔产生的沿井筒方向的附加应力干扰,闭合应力增加,因而更难起裂,导致起裂次序从端部射孔开始向中部射孔发展,当应力差较高(>7 MPa)时,附加应力干扰明显,要实现多射孔的多裂缝起裂扩展,需提高注入压力;起裂位置在射孔孔道中的变化是射孔根部应力集中强度与远端受射孔附加应力干扰程度相互竞争的结果;由于射孔簇间距较大,射孔簇间的应力干扰对裂缝起裂影响微弱,各射孔簇压力分布相似。     

考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法

以多孔介质流体渗流和围岩应力耦合理论为基础,提出一种基于有限容积法（FVM）的水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。首先,考虑初始地应力和流体渗流对射孔围岩的影响,运用坐标转换和叠加原理得到围岩应力分布。其次,考虑围岩渗透率和孔隙度的应力敏感性,通过渗流力学分析确定射孔围岩的流体压力。最后,探讨水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上,构建考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂力学模型,并基于有限容积法对渗流方程和应力方程予以离散,提出水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。该方法实现了流体渗流与围岩应力的耦合,可精确求解水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂压力和破裂时间,亦能对流体压力和围岩渗透率演化予以准确描述。相关成果丰富了水力压裂破裂机理的研究,亦可对实际工程设计提供重要的参考。     

深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

基坑土体卸荷剪切模量真三轴试验研究

通过对基坑土体真三轴卸荷不排水试验结果的分析,研究了由广义虎克定律推导出的土体广义剪应力与广义剪应变的关系,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导了基坑土体卸荷切线剪切模量计算公式。研究表明:土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,中主应力对土体强度的影响存在区间效应。在中主应力σ2的数值由σ3逐步增加到σ1的过程中,土体的强度逐步提高到一定峰值后,再逐步减小。