地应力对水压致裂裂纹扩展影响的数值模拟

研究岩石在渗流-应力作用下裂纹萌生、扩展的破坏机制问题,采用岩石破裂过程分析软件对不同地应力水平和含不同倾角裂纹下水压致裂裂纹扩展进行了数值模拟研究,结果表明:在内孔水压作用下,随着地应力由80 MPa逐渐减少到45 MPa时,形成的平直裂纹由垂直于水平主应力方向逐渐向偏离水平主应力的方向发展,同时周围伴随着许多随机裂纹;预制裂纹水压致裂可以看出水压是穿过预制裂纹的,该成果为石油工业提高石油开采率提供了理论基础和科学依据.     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

射孔角度对水力压裂裂纹扩展影响数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20渗流版本,从细观力学角度出发,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,通过创建渗流-应力-损伤耦合模型,模拟分析了不同射孔角度条件下的非均质岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程.模拟分析结果表明,无论射孔角度如何变化,裂纹的发展方向始终趋向最大主应力方向;随着射孔角度的增加,逐渐形成双翼型转向裂纹,射孔方位角越大,裂纹的转向越明显,转向距离越大;0°~30°为最佳射孔方位角.数值模拟结果与实验结果相一致.     

岩石水压致裂过程的数值模拟分析

应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统(FRFPA2D),模拟分析了岩石在水力压力作用下破裂失稳过程,对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响·结果表明,岩石的非均匀性对水压致裂的开始压力、失稳压力以及裂纹的扩展路径有很大的影响,对于不均质试样,水压破裂的开始出现要比失稳压力到达早得多,而对于均质试样,破裂初始压力和崩溃压力是不能区分的;同时,岩石的非均匀性也影响着破裂路径的粗糙度和不规则展布,模拟结果和相关实验结果具有较好的一致性·     

水压致裂过程的弹塑性细胞自动机模拟

利用自行研发的弹塑性细胞自动机模型和模拟系统，建立了非均质岩石水压致裂过程的细胞自动机模拟方法.该方法能够反映流体在水力梯度作用下进入新生微裂隙、形成新的流体渗流边界而对该边界产生张拉效应，并引起微裂隙的进一步扩展、贯通，最终形成宏观裂纹的过程，可以方便地进行水压致裂过程中边界条件和水力参数的动态更新.同时，研究了不同均质度和井筒内径对水压致裂行为的影响.结果表明，随着井筒内径增加，极限水压力降低，而破裂模式基本相似，模拟结果与典型实验现象吻合较好.     

FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析

岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先从理论背景层面对FRACOD裂纹扩展模拟软件进行了详细的介绍,软件采用间接边界元-位移非连续法,并引入裂纹扩展F-准则及Mohr-Coulomb裂纹起裂准则用以模拟岩石混合裂纹扩展规律及应力场、位移场等物理场的分布规律。为验证该软件在众多工程领域的适用性,进行了地热开发钻孔破裂、岩石力学双轴压缩试验、水压致裂等三个模拟案例的对比分析。通过对模拟试验结果与室内试验或现场观测结果的对比发现,FRACOD不仅可以准确模拟岩石的裂纹扩展规律及岩体破坏特征,同时适用于涉及岩体断裂损伤的多个工程领域。因此,FRACOD研发与应用为岩石工程设计和研究提供了重要的研究工具,对岩体断裂损伤学科的发展具有重要的指导意义和参考价值。     

圆孔孔壁裂缝水压扩张的压力参数理论分析

运用水压致裂法和Griffith理论,对地应力场中岩体孔壁水压诱致裂缝扩展过程进行了分析,将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为3个阶段,即孔壁破裂、第二次扩展、第三次破裂扩展阶段;且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力压力。分析了含内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系,随着岩体埋深由浅至深的逐渐增加,水力致裂圆孔的孔壁破裂压力变化由2个阶段过渡为3个阶段,且存在一个钻孔位置的临界埋深。为实际坚硬顶煤水力弱化的试验设计提供了依据。     

圆孔孔壁裂缝水压扩张的压力参数理论分析

运用水压致裂法和Griffith理论，对地应力场中岩体孔壁水压诱致裂缝扩展过程进行了分析，将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为3个阶段，即孔壁破裂、第二次扩展、第三次破裂扩展阶段；且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力压力。分析了含内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系，随着岩体埋深由浅至深的逐渐增加，水力致裂圆孔的孔壁破裂压力变化由2个阶段过渡为3个阶段，且存在一个钻孔位置的临界埋深。为实际坚硬顶煤水力弱化的试验设计提供了依据。     

水力耦合作用下三维中空裂隙扩展模式与材料破坏强度的试验研究

采用透明树脂类岩石材料制作含三维中空单裂隙试件,开展水力耦合破裂试验,研究三维裂隙起裂扩展模式,分析裂隙倾角和水压对裂隙起裂应力及试件破坏强度的影响规律。研究结果表明:三维中空裂隙的起裂和扩展模式与闭合裂隙相比差异显著,水力耦合下三维裂隙起裂扩展模式呈现低水压与高水压2种类型,水压升高对裂隙起裂、扩展具有显著的促进作用,并改变试件的破坏模式;随裂隙倾角增大,翼裂纹临界扩展长度逐渐减小,鱼鳍状裂纹的萌生时间呈后延趋势;水压对裂隙起裂应力和试件破坏强度的影响分别存在阈值,在达到阈值前,水压升高使起裂应力小幅度增大,而破坏强度逐渐降低;当水压超过阈值后,起裂应力与破坏强度均迅速降低;裂隙起裂应力和试件破坏强度均随裂隙倾角增大而呈先降低后升高的趋势,但起裂应力的变化幅度比破坏强度的变化幅度更大。     

层状岩体巴西劈裂声发射特性研究

为了研究层状岩体在巴西劈裂条件下的破坏力学行为,建立基于颗粒离散元的层状岩体数值模型,采用基于矩张量理论的声发射计算方法,对层状岩体巴西劈裂条件下的声发射规律进行分析.研究结果表明:同一角度下,岩体的劈裂强度随着层理面强度的增加而增加.当层理面的强度值与岩石基质体相当时,岩石表现出各向同性的特点;当层理面强度小于岩石基质时,岩石的劈裂强度随着角度的变化呈现出"U"形分布的特点.各种工况下,拉裂纹的占比均大于剪切裂纹的占比,说明拉伸破裂是岩石微观破裂的主要类型.各种工况下,岩石的矩张量值主要分布在-5.75～-5.0之间,且峰值出现在-5.5～-5.25区间.声发射事件的矩张量大小与其数量之间的关系大致服从正态分布.随着层理面强度的减小,b值大致呈现出增加的趋势,说明声发射能量较小的事件在岩石层理面强度较小时占比较大.     

页岩油水平井多段压裂裂缝高度扩展试验

针对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层压裂垂向改造程度低的问题,基于真三轴水力压裂模拟试验研究CO2与胍胶复合压裂相比于常规水基和超临界CO2压裂缝高扩展的优势.创新性建立一套针对天然页岩的水平井多段压裂模拟试验方法,并通过试样剖分、CT扫描和声发射监测等方法综合确定多段压裂裂缝形态和破裂机制.结果表明:低黏度滑溜水和超临...     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

地下洞室顶部软弱夹层和层状岩体的稳定性分析及参数反演

针对地下工程顶部层状砂岩中存在顺层发育软弱夹层的情况,分别对开挖后可能出现的层间滑动破坏范围、岩板的沉降、折断和临界长度进行计算,并分析其稳定性,提出了根据砂岩沉降位移评价岩体强度参数的思路和方法     

塔中地区鹰山组碳酸盐岩储层水平井轨迹优化研究

针对塔中地区鹰山组碳酸盐岩的储层特征和目前水平井钻探过程中遇到的问题,综合考虑地应力控制下的井壁稳定性和后期压裂增产等因素,对水平井井眼轨迹进行优化。通过有限元数值模拟计算,分析不同井眼轨迹下的水平井稳定性和压裂缝形成难易程度,得到最优的井眼轨迹方向。对塔中某井的分析结果表明:所分析水平井的井周地应力状态为潜在走滑型,基于地应力状态和岩石力学特征,从井壁稳定性的角度考虑,当井筒延伸方向与水平向最大主应力夹角为20°~40°时井壁较为稳定,有利于安全、高效钻井;从压裂缝形成的难易程度考虑,当井筒延伸方向靠近水平向最大主应力方位时,井周张应力最大,压裂过程中较容易形成张裂缝。综合井壁稳定和后期压裂增产,分析得到塔中地区最为有利的水平井井眼轨迹方向为与水平向最大主应力夹角20°左右,并通过现场验证得到该方向既能保证安全钻井又能通过后期的压裂获得较高的产能。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

基于离散元方法的层理发育地层水力裂缝扩展规律

层理发育是页岩储层的典型特征,水力裂缝能否穿过层理面继续扩展决定了裂缝形态的复杂程度,其中层理强度是影响水力裂缝穿层行为的关键因素。为了探究层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,采用块体离散元方法,分别计算了层理面的抗剪强度(黏聚力)和抗拉强度对水力裂缝在层状地层内扩展行为的影响。结果表明,水力裂缝遇到水平层理后的形态可分为转向层理面扩展和继续竖向扩展两种类型。层理面强度对水力裂缝的穿层能力具有显著影响,当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较低时,水力裂缝的穿层能力差,水力裂缝不能穿过层理;当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较高时,水力裂缝的穿层能力增强,水力裂缝穿过层理面扩展;当层理面的某一个强度较低时(抗拉或抗剪),则低强度因素成为主控因素,另一强度参数的增加不会改变水力裂缝的穿层能力。厘清了层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,对层理发育地层的水力压裂施工具有重要的理论指导意义。     

强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明：1）层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s-1时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;2）当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时AC复合岩样（强度比为1.5）分形维数最大;3）类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。     

片麻岩各向异性力学特性试验研究

岩石的各向异性力学特性对工程安全稳定性具有重要的作用。以片麻岩为研究对象,对垂直层理和平行层理的岩样开展了波速试验、单轴压缩和点荷载试验,分析了其强度特性,讨论了岩样的破坏特征及破裂模式。结果表明:在垂直层理和平行层理两种情况下,片麻岩的波速和强度差别明显,表现出各向异性特征;在垂直层理条件下,片麻岩的点荷载强度指标Is(50)与单轴压缩强度之间的换算系数为21. 25,而平行层理条件下为14. 46;单轴压缩试验中,垂直层理的岩样以拉-剪复合模式破坏,平行层理的岩样以张拉模式破坏;在圆盘形试样的点荷载试验中,试样破裂主要有2块和3块的形式,垂直层理和平行层理加载的破坏形式也存在一定差别。     

川西硬脆性页岩力学特征及井壁稳定性研究

在硬脆性页岩地层钻井过程中井壁失稳现象频发,严重阻碍了现场钻井作业的进程。针对小塘子组页岩钻进过程中发生的井下垮塌现象,通过开展系统室内实验测试,并结合实验数据建立的理论模型,评价分析小塘子组页岩地层的井壁稳定情况。结果显示,小塘子组页岩属于典型的硬脆性页岩,层理缝发育,在外力或高应力环境下可以产生张性裂缝;钻井液浸泡效应可降低小塘子组页岩地层力学强度,层理走向及力学弱面效应对小塘子组页岩力学性能影响明显;裂缝走向、井眼轨迹及井壁渗流场影响小塘子组页岩地层井壁稳定性,当裂缝面与井眼轴线之间夹角满足一定关系,井壁岩石容易沿裂缝面发生滑移垮塌。