层理岩体爆破应力波传播规律研究

本文以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响。研究发现：层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1。当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小。此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系。     

古生界海相页岩储层井壁稳定影响因素分析

古生界海相页岩主要发育有水井沱组、鲁家坪组、牛蹄塘组以及五峰-龙马溪组等页岩储层。由于不同储层矿物成份、地质特征以及岩石力学特征不同,因而,会对井壁稳定产生不同的影响作用。通过对古生界海相页岩储层进行矿物成份、水化作用、岩石力学实验以及数值模拟,分析影响古生界海相页岩储层井壁稳定的因素,结果表明:1古生界海相页岩储层均不含易水化膨胀的蒙脱石;2古生界海相页岩储层具有非水敏性特征,水化作用不是影响井壁稳定的主要因素;3水基钻井液会降低古生界海相页岩储层岩石强度,降低幅度在6.4%~37.33%之间;4大倾角、层理弱面对井壁稳定有显著影响,会导致钻井液安全密度窗口会大幅减小。     

层理性页岩水平井井壁稳定性分析

基于孔隙弹性力学和单结构面强度理论,建立层理性页岩水平井井壁稳定力学分析模型,分析层理面产状(走向、倾角)、井眼轨迹(井眼方位)和层理面强度弱化对水平井井壁稳定的影响。研究结果表明:页岩层理面产状和层理面强度弱化是导致水平井井壁坍塌失稳的主要因素;层理面倾角为0°~30°时,沿着任何方位钻水平井的井壁稳定性都比较差,而层理面倾角为30°~90°时,沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比较好的,这便为井眼钻进方位的优化设计提供重要依据;层理面强度弱化的影响可以比层理面产状的影响更大,不同产状下坍塌压力差异可达0.45 g/cm3,而层理面强度弱化导致的井壁坍塌压力可增加约0.54 g/cm3;钻井液在渗透作用下沿层理面侵入地层,导致层理面黏聚力和内摩擦角降低,使井壁岩石更容易沿层理产生滑移,从而加剧井壁坍塌失稳的风险。最后,采用该模型在四川东南部威远构造第一口页岩气水平井W201-H1井进行了验证,井壁坍塌压力分析结果与实际情况吻合良好。     

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。     

冲量及层理对煤块冲击韧度的影响

为了研究不同冲击速度条件下块煤冲击韧度的变化特征,以及块煤节理方向性对块煤冲击韧度的变化特性。采用传统的冲击试验机对北京大安山煤矿的块煤进行了不同冲击速度、不同的冲击方向条件下的有缺口冲击试验。试验结果表明,当冲量小于25N.s时,沿着垂直层理方向和平行层理方向施加冲量后,试样的变化形态十分接近,而在此之后两者的差异随冲量的增加而增大。同时发现裂纹在试样中扩展所需能量随速度的增加而增加,裂纹扩展速度的所需能量与冲击方向密切相关,并且这种由不同结构产生的冲击韧度的差异随冲击速度的增加而加大。对于沿着垂直节理方向施加冲量的块煤产生的断裂面平整,破碎的块数较少;而对于沿着平行节理方向施加冲量的块煤,断裂面也就不平整,破碎的程度严重,碎块数较多。这反映了冲击韧度对煤块的某些缺陷很敏感。     

基于广义各向异性强度模型的层理边坡稳定性分析

以穆利亚希露天矿为工程背景,根据现场节理及结构面测绘结果,在广义各向异性强度模型的基础上建立了边坡极限平衡分析模型。分析过程中,使用圆弧和折线两种方式搜索边坡潜在滑动面,采用简化Bishop等多种方法求解边坡安全系数来评价边坡稳定性。在此基础上,考虑节理岩体强度参数的不确定性和变异性,进一步采用概率分析方法从破坏概率角度评价了边坡的稳定性状态。选取安全系数判定值为1.0时,圆弧和折线下边坡破坏概率分别为30.4%和60.7%,边坡破坏概率较大。最后通过对比分析可知,在评价层理面控制的边坡稳定性时,采用各向异性强度模型计算得到的边坡安全系数更加合理、可靠。     

川南硬脆性页岩井壁失稳机理实验研究

川南地区是我国最早开发页岩气的地区,肩负着推动我国页岩气发展的重要任务。但是川南地区页岩气藏钻井过程中井壁垮塌严重,影响了该地区页岩气藏的勘探开发进程。基于现场取芯室内实验,从微观结构、矿物组分及流体对岩石物性的影响,对该地区页岩进行研究。分析了硬脆性页岩稳定性。得出该地层井壁失稳机理主要是在井筒压差以及毛管力作用下钻井液滤液沿层理面渗入,导致层理面的力学性质发生变化,从而引起页岩整体强度下降出现剥落,最终造成井壁失稳垮塌。通过对该区块页岩实验研究分析,为该地区页岩钻井过程中钻井液优选提供有效的理论支撑,确保页岩层段钻进高效、顺利地进行。     

层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响

根据四川盆地某页岩气田所取岩芯进行的强度实验,发现页岩呈现出显著的强度各向异性,沿层理面的剪切滑移是井壁失稳的主要机理。结合岩石力学实验结果,分析层理产状对井周应力状态的影响,得出井壁失稳风险分布图的演变过程,进一步分析了水平段坍塌风险随层理产状的变化规律。研究发现,沿层理面倾向钻进的水平井,坍塌压力随层理面倾角的增加先升高后迅速降低;沿层理面走向钻进的水平井则会不随着层理面倾角增大而发生变化。研究结论可以为页岩气钻完井设计提供参考。     

Numerical Simulation of Hydraulic Fractures Intersecting Natural Fractures in Shale With Plastic Deformation北大核心CSCD

The plastic deformation and numerous natural joints of shale pose a great challenge for the predic⁃ tion of the hydraulic fracture geometry extension. Based on the finite element method, a fully coupled numeri⁃ cal model for elastoplastic hydraulic fractures was established with natural fractures and bedding planes consid⁃ ered. The numerical model was validated with the KGD analytical solution and Blanton’s curve. The numerical results show that, compared with the numerical model solution of linear elasticity, the hydraulic fractures are prone to enter the natural weak interface due to the rock plastic deformation. The rock plastic deformation area mainly lies in the reservoir layer during the fracture propagation. In the case of rock ductile damage, the hy⁃ draulic fracture is more likely to penetrate the bedding plane. Hydraulic fractures can directly penetrate natural fractures and bedding planes at high injection rates due to large driving forces. The study provides new insights in terms of hydraulic fracture extension in elastoplastic formations. © 2023 Editorial Office of Applied Mathematics and Mechanics. All rights reserved.