多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平，进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理，利用自主研发的超临界CO₂气爆装置，在多通道电液伺服相似材料试验台上，对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验，用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息，并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知，距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区，其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波，介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏，形成粉碎区；应力波传播能量逐步衰减，不足以使介质产生压缩破坏，然而脆性材料抗压不抗拉，其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙，应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔，促使裂隙进一步发育和扩展，形成裂隙区；裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动，未发生明显破坏，即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减，裂隙的高速扩展发生在粉碎区，低速扩展发生在裂隙区；距离气爆孔越远，测点的峰值应变越小，相同距离内节理裂隙等结构面越复杂，峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

超临界CO_2气爆致裂爆生气体压力沿破裂面变化规律实验研究

为了揭示超临界CO_2气爆致裂煤岩体过程中爆生气体压力沿破裂面的变化规律和不同超临界压力对爆生气体压力分布的影响,利用自主研发的超临界CO_2气爆实验系统进行爆生气体压力分布测试实验。采用气爆孔周预制弱层的方法,解决了气爆实验传感器难以捕捉裂纹位置的问题。得到了破裂面爆生气体压力与到气爆孔距离和时间的关系式。实验结果表明:气爆过程中破裂面任一点处的爆生气体压力随时间衰减曲线,与气爆孔底爆生气体压力衰减曲线的变化特征相似,服从负指数曲线变化规律,随时间增加,衰减曲线斜率逐渐减小;破裂面任一时刻爆生气体压力,满足近气爆孔处气体压力大于远孔位置的气体压力的规律;随着超临界压力增大,各监测点爆生气体压力峰值增大,相邻监测点压力峰值差增大,监测点达到压力峰值对应时间减小,相邻监测点达到压力峰值的时间间隔变短。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26?时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.     

煤层气在非饱和水流阶段的非定常渗流摄动解

煤层甲烷由煤层的割理裂隙系统流入生产井一般经历：单相水流、非饱和流和气、水两相饱和流三个阶段，在非饱和流阶段，储层压力降至临界解吸压力之后，储存在煤基质中的吸附气体少量被解吸出来形成互不连续的气泡并阻止水的流动，含气量尚未达到饱和程度。同时煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程。本文考虑渗流过程中水-气两相不溶混流体与固体耦合作用，建立了非饱和水流阶段非定常渗流问题的流固耦合数学模型，对该强非线性一维数学模型采用摄动法和积分变换法进行解析求解，并讨论了其压力动态特性，分析了压力随饱和度S及时间t变化的规律和气相及耦合作用的影响，这些研究对煤层气、石油和天然气的开采等地下工程领域具有一定的指导意义。     

超临界CO_2作用时间对煤渗透率和孔隙率的影响规律研究

为研究超临界CO_2作用后煤渗透率和孔隙率的变化规律,在超临界CO_2增透实验基础上进行了微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,计算孔隙率,得到了煤孔隙率和渗透率变化的等值线图。结果表明:经超临界CO_2作用后,煤的渗透率较作用前提高了一个数量级,并随超临界CO_2作用时间的延长呈正指数增加,当作用时间为20h时,煤的渗透率较增透前提高了20.2倍;随超临界CO_2作用时间的增加,蜂窝状孔隙逐渐向更为细小的颗粒空间发展,孔隙数量明显增加。增透煤微观孔隙定量结果显示,随着超临界CO_2作用时间的增加,孔隙率等值线密集程度增加,煤各微区孔隙逐渐发育,孔隙率增加,当作用时间增加到20h时,孔隙率较增透前提高了17.20倍。煤的渗透率随孔隙率的增加呈正指数递增,说明宏微观结果是一致的,超临界CO_2增透促进了煤微观结构的有效发育,提高了煤的渗透率。     

初应力条件下超临界CO_2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程:应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律.通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理:位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著.裂隙的扩展速度与扩展距离呈"S型"曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小.     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

填埋气体迁移气-热-力耦合动力学模型的研究

基于连续介质力学—势弹性力学原理，运用多场耦合理论建立了填理场中可压缩垃圾气体迁移耦合的动力学模型，并采用摄动法及积分变换法对该强非线性数学模型进行拟解析求解。通过算例对比分析，探讨了耦侵动力场中气压、温度和应力变化对可压缩气体迁移的影响，得出了垃圾气体迁移过程中的孔隙压力分布规律。结果表明，三场耦合作用与非耦合作用相对差别较大，耦合效应不能忽略。这为定量化研究垃圾气体在填埋场中的扩散状况以及污染气体的排放和收集、防止二次污染提供了可靠的理论依据。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响，在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上，利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型，利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模，通过解析解与数值计算对比分析，得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力，均呈纺锤形，法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍；裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力；裂纹尖端两侧存在干扰剪应力；考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小；多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加，簇间距越小，叠加效果越强；多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大，走向压应力减小，导致裂纹扩展注水压力升高，裂缝张开的宽度降低，不利于单裂缝的扩展；干扰应力使裂缝间应力差降低，甚至局部最小地应力方向发生改变，有利于形成复杂缝网。