边切斜裂缝岩石单轴压缩缝尖起裂机理试验研究

为研究岩石在压剪荷载作用下的断裂特性,在岩石试样侧边切斜裂缝,预制角度分别为30°、45°、60°的初始裂纹,利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行单轴压缩断裂试验。试验结果表明：边切斜裂缝岩石单轴压缩试样表现为明显脆性,其峰值荷载随初始裂纹角度的增大而增大,大角度初始裂纹具有更高的安全性;试样从预制裂纹尖端开始起裂,并产生向荷载作用方向扩展的翼型裂纹或反翼裂纹,缝尖裂纹扩展初期先受到压剪应力作用,随着裂纹逐渐扩展过程转变为拉应力作用,试样的最终破坏由张拉裂纹主导破坏,初始裂纹角度为45°、60°时伴随部分剪切破坏;裂纹起裂角度随初始裂纹角度的增大而呈现增大趋势,且在初始裂纹角度为60°时,同时出现了反翼裂纹与翼裂纹,起裂模式及角度的控制因素为沿扩展路径方向上法向应力值的相对大小。     

THE PERFORATION PARAMETER OPTIMIZATION FOR MULTI FRACTURE INITIATION IN HYDRAULIC FRACTURING

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题, 结合岩体力学与损伤力学相关理论, 建立了近井筒地层流固——损伤力学模型, 采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态, 计算表明:初始地应力最小值越小, 地层的起裂压力越低;射孔方位角越小, 起裂压力越低. 随着射孔方位角增大, 近井筒微裂缝为45° 夹角的拐折裂缝, 起裂压力增大, 基于此, 对于正断层及顺滑断层地应力类型, 取射孔方位角小于30°, 螺旋射孔夹角30°或45°, 对于逆断层地应力类型, 螺旋射孔夹角取45°, 可有效地实现多裂缝起裂.     

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.      

复合射孔爆燃气体压裂裂缝起裂扩展研究

结合线弹性断裂力学的裂缝尖端应力强度因子判据,建立了复合射孔爆燃气体压裂裂缝的起裂扩展模型,通过建立与多个变量相关的缝内气体压力分布函数,利用迭代法实现了模型的数值求解,获得了缝内气体压力分布随时间的动态变化规律,并分析了不同特征参数对裂缝起裂扩展与止裂过程的影响。实例计算结果表明:(1)随着裂缝扩展的进行,爆燃气体流动尖端与裂缝尖端经历了由重合到不重合再到重合的过程;(2)地应力越大,裂缝起裂扩展越困难,爆燃气体有效致裂作用时间越短,最终得到的裂缝扩展长度也越小;(3)初始裂缝越长,裂缝更容易起裂扩展,爆燃气体能量利用率越高,裂缝扩展更长;(4)岩石断裂韧性的改变对裂缝起裂、止裂和裂缝扩展长度没有明显的影响;(5)升压速率越小,爆燃气体有效致裂作用时间越长,最终裂缝扩展也更长,但对裂缝起裂压力与止裂压力几乎没有影响。     

组合脉冲压裂加载过程耦合模拟及火药配比影响敏感性分析

基于组合脉冲压裂物理过程,以三种燃速火药柱串联、中心管同步点燃方式,结合火药爆燃加载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂、高压气体裂缝内流动及裂缝扩展等子模型,组建多级爆燃压裂耦合模拟模型。并据此分析不同配比火药组合爆燃压裂时,井底压力变化及裂缝延伸情况。结果表明:不同燃速火药串联组合可实现一级火药快速爆燃,瞬间达到多方向射孔孔眼起裂压力,二、三级火药持续长时间燃烧维持高压以充分延伸裂缝的目的;在确定一级快速火药和总火药用量后,井底爆燃压力加载速率和各方向破裂压力均随第三级燃速火药质量比重的增加而呈现降低趋势,但变化不明显;而不同方向裂缝最终延伸长度对二、三级燃速火药的配比具有较强敏感性;在以多方向裂缝安全起裂为目标、设定一级燃速火药后,合理配比三种火药比单一配比高-中速、高-低速火药,可更有效地延长爆燃压裂过程的井底有效持压时间,从而可大幅扩展火药用量上限,提高爆燃压裂裂缝延伸规模。     

基于声发射能量分析的周期注水应力改造下煤系页岩裂缝扩展规律试验研究

周期注水作为一种有效开采页岩气的应力改造技术,其对页岩裂缝起裂扩展影响机制尚不明确。基于页岩储层真实三维应力环境,研制了真三轴水力压裂试验系统,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,制作了煤系页岩相似材料模型,进行了先周期注水应力改造、后水力压裂的页岩裂缝扩展模拟试验。利用声发射技术监测了应力改造阶段和压裂阶段裂缝起裂扩展过程,根据声发射能量变化和频谱特征,分析了应力改造和水力压裂阶段的裂缝特征、起裂扩展规律,提出了基于声发射能量分析的水力压裂裂缝由起裂阶段进入扩展阶段的判别指标和判定方法。试验结果表明:应力改造阶段裂缝尺寸以微裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比减少,剪切型裂缝占比增加;压裂阶段裂缝尺寸以宏观裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比增加,剪切型裂缝占比减少,当周期注水压力为1.6MPa时为最优,易形成缝网。提出以平均声发射能量能率k作为裂缝起裂判据,发现当k降幅超过26.87%时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以产生微裂缝,沟通水力裂缝降低压裂时裂缝起裂难度,从而提高页岩气开采率。所得结论可为水力压裂应力改造效果评价与裂缝控制提供参考。     

横观各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展规律研究

针对横观各向同性与各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展的差异性,基于扩展有限元法建立水力压裂力学模型,通过ABAQUS子程序开发了各向同性和横观各向同性岩体的起裂判据。在各向同性岩体数值模拟结果与解析解以及现场压裂典型曲线对比吻合的基础上,得到了包含层理构造的横观各向同性岩体水力压裂过程中裂纹扩展规律。层理类岩体水力压裂的裂缝扩展方向由地应力状态、层理方向以及岩体与层理界面抗拉强度共同决定;水力压裂过程中,注水压力在裂纹尖端产生应力集中,层理面法向分量先达到界面抗拉强度时,裂纹沿层理方向开裂,反之裂纹沿垂直最小地应力的方向扩展;裂纹扩展速度随层理抗拉强度的增加而降低;由于地层的滤失,随压裂液的注入,裂纹长宽尺度增长速率降低。     

三维椭球形缺陷启裂载荷随倾角和压缩度变化的规律

本文基于扩展有限元法模拟不同尺寸和倾角三维椭球形缺陷的启裂行为,随后引入压缩度描述缺陷扁平程度,最后讨论缺陷倾角和压缩度对其启裂载荷的影响。结果表明：当缺陷形状呈扁椭球形时,随倾角(缺陷倾向与力方向的夹角)增加,启裂载荷先减小后增加。当缺陷形状呈近球形时,启裂载荷随倾角增加变化轻微。当缺陷倾角为0°时,其启裂载荷随压缩度增加先减小后增加。当倾角为15°,30°,45°,60°和75°时,启裂载荷随压缩度增加而减小。     

两共面预制裂纹试样应力场特征与破坏模式研究

破坏模式决定着裂隙岩体的基本力学性质,通过对比分析典型两条共面裂纹的节理裂隙岩体试样的模型试验、模拟试验结果,系统地研究了预制裂纹倾角、侧压以及裂纹面摩擦系数等因素对试样应力场、破坏模式以及峰值强度的影响;进一步解释了不同裂隙分布条件下张拉次生裂纹、剪切次生裂纹的起裂、发展以及贯通路径与机理,系统地总结了两条共面裂纹试样贯通模式的演化规律。结果表明:随预制裂纹倾角从0°增大到90°,两共面裂纹试样第一主应力最大值呈现先增大而后减小的规律,倾角较小或较大时试样最大拉应力相对较小,而倾角为20°～70°时试样最大拉应力较大且45°～65°间达到最大;剪应力极值线绕预制裂纹尖端旋转,次生剪切裂纹起裂部位、发展方向均发生变化,接近0°和90°时试样内部最大剪应力值最小,倾角为20°～70°时试样最大剪应力相对较大且30°时剪应力达到最大;裂纹倾角较小时试样破坏路径由两预制裂纹中的一条与其次生裂纹贯通形成破坏路径,倾角较大时破坏路径通过两条预制裂纹以及其次生裂纹贯通形成;试样峰值强度变化曲线呈浅底"V"字形,倾角为0°、90°时峰值强度大体相同,倾角为45°时峰值强度达到最小且约为0°时峰值强度的40%～50%。     

预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果影响的试验研究

为研究预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果的影响,以阜新孙家湾矿煤系页岩为研究对象,采用三轴水力压裂试验设备进行实验室压裂模拟试验。以清水为压裂液,通过对试件施加轴压和围压模拟煤系页岩所处地应力状态。利用声发射仪监测试验过程中的能量释放特征,分析了预制裂缝布置方式和水平应力差对注水压力及声发射能量信号的影响。研究结果表明:采用双预制裂缝180°相位角的布置方式,试件裂缝扩展程度最高,水力压裂效果最佳;模拟试验中,声发射能量曲线峰值之后的平稳阶段与水力裂缝二次扩展阶段相对应;水平应力差增大使最大注水压力降低,加快了预制裂缝的扩展速度,有利于水力裂缝的起裂扩展和二次扩展;水平应力差为0.2MPa时预制裂缝扩展最快,裂缝扩展程度最大,压裂效果较好。     

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

含预制裂缝大理岩试样单轴压缩实验研究

采用RMT-150B岩石力学伺服试验机对含预制裂缝的大理岩试样进行单轴压缩试验,分析了预制裂缝参数(裂缝倾角α=15°、30°、45°、60°、75°和裂缝位置l=25mm、 37.5mm、 50mm)对大理岩强度和破坏特性的影响。结果表明,应力-应变曲线随着预制裂缝倾角的增加,逐渐接近完整试样,受裂缝位置因素的影响相对较小;试样的峰值强度随预制裂缝倾角的增大,先小幅度增加,后发生减小,再剧烈增加,预制裂缝倾角很大程度地影响试样的破坏形式,并造成试样的强度差异;预制裂缝的扩展方向为偏离预制裂缝断面法线方向20°～90°范围;相比预制裂缝的位置因素,预制裂缝的倾角因素对岩石特性的影响更加显著。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9～4.2倍,失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

一种考虑虚拟质量力的井筒气液两相压力波色散经验模型

考虑虚拟质量力、管道特性、频率、空隙率等因素,建立气液双流体压力波速模型,结合小扰动理论,提出了一种新的考虑虚拟质量力的两相压力波色散经验模型,与前人气液两相流（12.5%空隙率）中波色散实验测试数据对比是一致的,且经验公式也可达到准确求解压力衰减系数的目的．对控压钻井两相压力波进行计算,结果表明：(1)随系统压力的增大,压力波衰减系数呈现减小趋势,随节流阀动作频率增大、温度增大,压力波衰减系数呈现增大趋势;(2)随空隙率增大,压力衰减呈现先增大后减小趋势,空隙率在8%≤φ≤40%区间,两相压力衰减系数存在最大峰值,当压力为0.2 MPa时,空隙率在19.5%时达到峰值2.78 dB/m;(3)在低频下,波色散主要受相间机械及热力学平衡机制的制约,波色散现象明显;在高频下,相间来不及进行动量及能量交换,气液状态达不到有序的状态,因而波色散现象不明显;(4)不考虑虚拟质量力,两相压力衰减系数呈现增大趋势,波色散现象显著性下降．     

含横向裂缝混凝土氯盐侵蚀所致锈裂面的细观分析

为了更精确地分析氯盐侵蚀下含横向裂缝混凝土的锈胀开裂规律,考虑混凝土骨料的几何本征特性,利用激光扫描及图像处理技术获取混凝土的真实骨料库;在此基础上建立了扩散与应力耦合的三维细观锈胀开裂计算模型,分析了锈裂面的几何形态,并研究了锈裂面的宽度、角度与骨料体积率及骨料比表面积的关系。研究表明：在含横向裂缝的混凝土试块中,氯盐侵蚀所致的锈蚀开裂面均为“双月牙”形态,且开裂面形态随骨料比表面积增大呈现较强的不对称性;锈裂面的最大宽度随骨料体积率减小而增大,当骨料体积率增大到20%,开裂面最大宽度基本保持不变;锈裂面的最大夹角位于混凝土横向裂缝正下方,当骨料比表面积为0.160～0.197 m~2/kg时,锈裂面的最大夹角范围为144°～160°。     

水平地应力差对周期注水应力改造水力压裂影响的试验研究

为揭示地应力环境对周期注水应力改造提高压裂效果的影响规律,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,克服煤系页岩非均质性,利用相似比制作型页岩试件,开展了实验室真三轴水力压裂试验。利用声发射技术监测裂缝起裂和扩展特征,通过RA-AF散点分布特征给出了应力改造和压裂阶段主导裂缝类型,分析得到了周期注水应力改造下水平地应力差对裂缝特征以及裂缝起裂、扩展的影响规律,提出了起裂阶段与扩展阶段声发射判断指标。试验结果表明:应力改造阶段裂缝起裂与扩展以微裂缝为主,剪切型微裂缝占比波动上升,第2个周期裂缝主频范围最大,裂缝发育最为活跃;压裂阶段裂缝起裂与扩展以宏观裂缝为主,张拉型裂缝占比呈增加趋势,当水平地应力差与注水压力接近2.0MPa时,张拉型裂缝占比最大,分布范围最广,压裂效果最显著。另外,本文提出了裂缝起裂与扩展阶段声发射判断指标为平均声发射能率k。k降幅在37.74%以上时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以减小水平地应力差对裂缝扩展的约束能力,促进微裂缝大量发育、沟通天然裂缝形成缝网,从而提高页岩气开采率。     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律,了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程,本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明:当管道长度相同,初始释放压力较低时,氢气泄漏不容易发生自燃;随着管道长度的增加,氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大;当管道长度一定时,初始释放压力越大,激波传播速度越快,氢气管内自燃的位置距离爆破片越近;气流通过激波马赫盘后,火焰燃烧加剧;随着时间的增加,火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势,喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小;火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。     

混凝土保护层锈胀开裂过程分析的细观刚体弹簧元模型

建立了描述保护层锈胀开裂过程的细观刚体弹簧元模型(RBSM),获得了锈胀裂缝的扩展过程和保护层的力学响应。数值结果表明,锈胀裂缝开展过程与试验现象较为一致;混凝土采用弹性本构关系时,平均锈胀压力-径向位移曲线的斜率(模型刚度)与厚壁圆筒模型理论值接近;采用软化本构关系时,平均锈胀压力峰值与理论值接近,从而验证了本文模型的正确性。此外,探讨了保护层厚度和钢筋直径对锈胀过程力学响应的影响规律。结果表明,保护层厚度减小将导致峰值锈胀压力和径向位移降低;钢筋直径增大同样会导致峰值锈胀压力降低,对应的径向位移整体上呈现随钢筋直径增大而减小的趋势。     

深井气侵关井引发的井筒多相水击压力特性研究

结合小扰动理论,建立了深井气侵关井引发的井筒多相水击压力模型。利用有限体积及特征线等数学方法,提出了基于离散网格求解井筒多相水击压力方法。结果表明:气侵量、井深及关井时间等参数均对井筒多相水击压力影响显著;井底气体的侵入,大幅降低了环空压力,增大了井筒空隙率,减小了井筒水击波速,延缓了井底水击压力峰值点出现时间;随井底气侵量增大,井筒多相水击压力呈减小趋势,气侵量从1.46m3/h增至4.14m3/h,水击压力高峰值大幅度降低;随井深增大,水击压力呈减小趋势,井深1550m同井口处相比,水击压力高峰值减小86.63%;随关井时间延长,水击压力呈减小趋势,关井时间延长10s,水击压力高峰值减小44.46%。