FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

水压致裂法测量地应力理论与应用

针对水压致裂测量地应力理论与工程研究现状,对水压致裂测量地应力理论、方法、技术以及特点进行了分析,并对水压致裂测量地应力的测量结果进行了论述。     

原生裂隙对水压致裂应力测量结果的影响

以水压致裂原地应力测量实际测试结果为例,通过对测试记录曲线及地应力计算结果的分析,结合破裂的印模定向和钻孔超声波测试结果,讨论和分析了原生裂隙对水压致裂原地应力测量结果的影响,并对相关的数据处理方法提出了合理的建议。     

原生裂隙水压法三维地应力测量原理及应用

介绍了单钻孔中利用原生裂隙重张试验确定三维地应力的两种方法,即利用原生裂隙重张试验和原生裂隙重张试验与完整岩石段常规压裂试验相结合的方法。讨论了单孔原生裂隙重张试验三维地应力确定方法在工程中的应用结果及其与三孔交汇水压致裂法的比较     

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。     

一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法及其应用

综合论述水压致裂地应力测量理论和技术的发展过程,讨论基于推拉阀控制的单管加压系统或由外置式高压软管与钻杆组成的传统双管加压测试的水压致裂技术及适用条件。针对滇中引水工程勘察阶段大量采用绳索取芯钻探技术进行复杂地质条件地质勘探的实际情况,以绳索取芯钻杆条件的岩体地应力测试为研究对象,研究一种新型绳索取芯钻杆内置,并分段固定式双管水压致裂地应力测试方法,研发相应试验测试装置,对测试过程控制以及相应管道压力损失估算等进行研究和讨论。利用该项技术成功进行5个测孔56个测段的地应力测试,最大测试深度为724 m。该测试方法解决了传统水压致裂地应力测量方法不能直接应用绳索取芯钻杆的难题,对复杂条件下的工程岩体地应力测试问题提供了一种新的测试技术手段。     

基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型

 以改进刚体弹簧方法为基础,结合等效离散裂隙网络模型,提出二维岩石水压致裂模拟方法。水压和力学响应的相互作用通过Biot理论描述。同时,推导了弹性条件下厚壁圆筒水力耦合解析公式,通过与数值解的对比,验证了数值模型的准确性。将该数值模型用于平面应力条件下厚壁圆筒的水压致裂过程分析,重点探讨了Biot系数对水压致裂过程的影响。研究表明,Biot系数作为反映水力耦合效应的重要参数,对水压致裂过程中的位移和破坏强度有显著影响。     

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。     

原生裂隙水压致裂法三维地应力测量研究

原生裂隙水压致裂法地应力测量,充分利用了重张试验确定裂隙法向应力精度高的特点,克服了传统水压致裂法假设多、钻孔横截面最大主应力计算误差大等缺点,并且可进行大尺度的三维地应力测量,但当所测原生裂隙距离大时,应考虑应力梯度。介绍了原生裂隙水压致裂法三维地应力测量的原理和步骤,基于大量的实测地应力分布规律的研究成果,简化出满足一般工程的线性应力梯度形式,并推导了便捷的计算过程。工程应用发现,不考虑应力梯度的原生裂隙水压致裂法三维地应力测量结果与考虑应力梯度测量结果具有一定差别,而后者的测量结果能反映测试范围内的地应力场变化。更多还原 AbstractFilter('ChDivSummary','ChDivSummaryMore','ChDivSummaryReset');     

在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量

 提出了利用钻孔中原生裂隙的重张试验, 在单钻孔中进行水压致裂法的三维地应力测量的原理和方法。对利用原生裂隙的重张试验及其与完整岩体段常规压裂试验相结合的两种基本情况, 推导了计算公式, 可操作性很强。     

单钻孔中水压致裂法三维地应力测量的新进展

由于测量深度深和其他突出优点,水压致裂法地应力测量已被国内外广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维地应力状态。长江科学院在国内率先提出在3个不同方向钻孔中和单钻孔中进行三维地应力测量的原理和方法,扩大其应用范围,并已在工程中得到广泛应用。近期,长江科学院又提出新的单钻孔水压致裂法三维地应力测量原理,只需选择2个或2个以上原生裂隙段进行重张试验的测量,或者在完整岩体段常规压裂试验的同时,选择1个或1个以上原生裂隙段进行重张试验的测量,就可确定岩体的三维地应力状态,并且可以应用到深钻孔的测量中,在工程上有广泛的应用前景。对该测量方法资料整理的计算公式严格进行推导,在实例中,三维地应力测量的测量成果,不仅得到水压致裂法钻孔横截面上实测的二维应力状态的检验,还得到同一钻孔对应深度的套芯应力解除法实测的三维地应力状态的印证。     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

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。     

地应力测量在深埋长大隧道岩爆预测中的应用

高地应力是岩爆发生的必要条件,地应力测量则已经成为岩爆预测的重要内容.本文在介绍水压致裂地应力测量的基本原理及试验步骤的基础上,进行了西周岭隧道的地应力测量,根据测量结果,采用Russenes和Turchaninov二个岩爆判据进行了隧道岩爆综合预测,认为西周岭隧道有发生弱～中等岩爆的可能性.同时,将理论分析结果与实际...     

岩体水力劈裂非稳定渗流影响机制初探

 水力劈裂是石油开采、土石坝安全控制、原位地应力测试、隧洞突涌水防治等中的常见突出问题。首先,构建一维非稳定渗流模型,推导其解析解,并将水力劈裂关键因素水压力、水力梯度随时间的变化规律与有限元模拟结果进行对比,从而证明该理论解的正确性。其次,非稳定渗流结果与稳定渗流对比表明,在非稳定渗流状态下水压突增时刻,靠进水口处水力梯度最大,而趋于稳定状态时,水力梯度逐渐减小并最终达到稳定。同时,渗透性越小,高水力梯度作用时间越长,岩体发生水力劈裂的危险性越大。因此,采用非稳定渗流研究岩体水力劈裂作用机制是十分必要的。     

水压致裂法三维地应力测量成果计算与分析的探讨

在水压致裂法地应力测量基本原理研究的基础上，通过对测量资料进行分析整理，对目前已普遍应用的三维地应力测量方法中岩壁上破裂缝方向和资料整理的计算公式进行了深入研究，并举有实例。     

水力压裂裂缝相互干扰应力阴影效应理论分析

针对油气田水力压裂工程中多裂缝相互干扰应力阴影效应问题,引入三类断裂力学干扰因子,采用权函数理论求解有限尺度地层剖面内部裂缝尖端应力强度因子,分析裂缝干扰与竞争起裂行为。研究结果表明:(1)基于权函数理论所得应力强度因子精度高于采用传统无限大裂缝模型所得应力强度因子;(2)提高破裂压力以增大应力阴影效应作用范围受局限,破裂压力达临界值时,扰动因子出现奇异性最值;(3)应力阴影效应对裂缝间距变化非常敏感,距离直井双翼裂缝扩展总长度一半位置相互干扰行为更加显著;(4)裂缝应力阴影效应随垂直地应力增大呈线性规律增强;(5)裂缝扩展角度变化造成裂缝相互干扰规律极其复杂,并依赖于破裂压力、诱导应力及地应力变化;(6)应力强度因子为负值的特殊闭合裂缝与常规水力裂缝干扰规律明显不同,干扰因子对定量分析闭合裂缝扰动也具有作用;(7)破裂压力与诱导应力交替作用可导致非等长裂缝竞争起裂效果产生差异性转变。研究结果在页岩油气、薄差油层及干热岩等资源开发的水力压裂工程中定量分析多裂缝干扰力学行为具有参考意义。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。