青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

Influence of three-dimensional roughness of rock fracture on seepage characteristics based on the digital image technology

Digital image processing technology can objectively reflect the surface roughness of coal and rock mass fractures and turn physical properties such as fluctuation height to physical data of the rock fracture surface to be used for numerical analyses; thus, it can effectively be applied to the seepage flow analysis of rock fractures. First, clear digital images of the fracture surface height are obtained under the same camera conditions, and then characteristic function values specific to various structure are normalized. Subsequently, the fluctuation height distribution of the rock surface is restored according to the measured fluctuation heights of local points. Finally, according to the surface fluctuation of fractures, invasive restructuring is carried out for three-dimensional fractures in the same coordinate system. Obtained physical parameters on the three-dimensional fractures of the rock are inputted into the COMSOL Multiphysics software to obtain the characteristic three-dimensional model of the rock fracture surface. The numerical analysis results are compared with experimental data on fracture seepage obtained from a seepage coupling true triaxial test system, and the relevance between the simulated result and the physical experiment is higher than 90%, which confirms that the integration of the digital image technology and the numerical analysis method can effectively simulate seepage in rough fractures. The hydraulic gradient of rough fractures and seepage velocity are also consistent with Forchheimer flow characteristics.     

An explicitly coupled hydro‐geomechanical model for simulating hydraulic fracturing in arbitrary discrete fracture networks

Modeling hydraulic fracturing in the presence of a natural fracture network is a challenging task, owing to the complex interactions between fluid, rock matrix, and rock interfaces, as well as the interactions between propagating fractures and existing natural interfaces. Understanding these complex interactions through numerical modeling is critical to the design of optimum stimulation strategies. In this paper, we present an explicitly integrated, fully coupled discrete‐finite element approach for the simulation of hydraulic fracturing in arbitrary fracture networks. The individual physical processes involved in hydraulic fracturing are identified and addressed as separate modules: a finite element approach for geomechanics in the rock matrix, a finite volume approach for resolving hydrodynamics, a geomechanical joint model for interfacial resolution, and an adaptive remeshing module. The model is verified against the Khristianovich–Geertsma–DeKlerk closed‐form solution for the propagation of a single hydraulic fracture and validated against laboratory testing results on the interaction between a propagating hydraulic fracture and an existing fracture. Preliminary results of simulating hydraulic fracturing in a natural fracture system consisting of multiple fractures are also presented. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于分形维数的巷道围岩裂隙演化规律研究

为探究泥质巷道受水平应力及动力扰动影响下的围岩裂隙演化规律,以盘州市山脚树矿226轨道石门为工程背景,综合运用现场调研、数值模拟、分形理论分析等研究方法,对动力扰动下泥质巷道的变形破坏特征、围岩裂隙演化规律、围岩裂隙分形演化特征等问题展开研究。结果表明:动力扰动前,巷道裂隙区和塑性区扩展范围随侧压系数的增加而逐步增大,巷道发生较大变形;受扰动后,随侧压系数的增加,围岩裂隙密度逐步增大,浅部裂隙扩展贯通并逐步延展至深部,巷道裂隙区和塑性区呈现全面不规则扩展。在扰动影响下,巷道围岩裂隙的分形维数较扰动前表现出明显的升维现象,随着侧压系数的增加,裂隙网络更为复杂,浅部裂隙进一步向深部蔓延,使岩体破裂程度更大,导致巷道发生严重变形破坏。      

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析

结合大帽山隧道的工程实践,通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作,研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性。阐明分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护结构间的相互调整变形机制,拱顶沉降捕捉的变形小于围岩实际变形的原因,支护结构的压力和锚杆应力状态及其与围岩位移的变化关系。监测结果表明,大断面小净距隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护结构的支护效果显著,围岩基本稳定。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。     

地应力对破裂压力和水力裂缝影响的试验研究

为研究水力压裂时地应力对破裂压力和水力裂缝的影响规律,采用水力压裂试验系统,以相似材料作为研究对象,进行了水力压裂物理模拟试验,并借助煤岩断面三维扫描系统、位移计提取了水力裂缝信息。试验结果表明,随着主应力差的增大,破裂压力逐渐降低,破裂时间也逐渐缩短;随着主应力差的增大,破裂面的表面积逐渐增加,破裂面变得逐渐粗糙;围压相近时水力裂缝易出现转向、分叉,压裂液的动力效应越明显;水力裂缝张开度随着主应力差的增大而逐渐减小。研究结果可为水力压裂试验的进一步研究、裂缝网络系统的建立提供参考。     

复杂地层超大断面隧道施工围岩力学特征模型试验

以京沪高速济南连接线港沟隧道穿越断裂破碎带区域为依托工程,研究了复杂地层超大断面隧道施工情况下围岩力学响应特征。研发了大型可拼装式地质力学模型试验系统,搭建了以静态数据采集为基础的应力–应变场监测系统和以光栅测距为基础的位移场监测系统,开展了复杂地层超大断面隧道施工过程力学模型试验研究。通过对试验开挖过程中位移变形和围岩应力变化的实时监测,揭示了超大断面隧道穿越断裂破碎带施工过程的力学演化规律。监测数据表明：位移变形大致可分为“缓慢增加-急剧增大-稳定状态”3个过程,水平收敛位移要早于拱顶沉降进入急剧增大阶段;应力变化也可分为“应力积聚－应力释放－稳定状态”3个阶段。形成的试验方法技术以及结论对类似工程研究具有重要的指导和借鉴意义。     

3D打印交叉节理试件力学破裂特性研究

交叉节理普遍存在于实际岩体中,但其对岩体力学破裂特性的影响至今未有全面深入的研究。制作了含3D打印交叉节理试样,采用声发射、CT扫描技术和数字图像相关技术(DIC)分析手段对单轴条件下含交叉节理试样的力学及破裂特性进行了研究。研究结果表明:(1)主节理倾角较小时裂隙的分形维数DB与单轴强度、弹性模量和泊松比之间的变化关系比主节理倾角较大时的一致性更好,前者破裂模式的规律性好于后者。(2)主节理倾角较大时压密和弹性阶段节理和块体之间在张拉作用下会产生聚集性微破裂声发射事件,主节理倾角较小时不会产生这种现象。DIC应变云图中裂隙扩展路径上的微应变先于宏观破裂,可通过计算压缩条件下微应变最大区域预测破裂模式。(3)主节理对起裂角和裂隙扩展模式起主要作用,且声发射和分形特性具有统一性。次节理平行最大主应力时,总损伤主要由主节理扩展造成,累积声发射事件数量AAEE和DB均最大。AAEE和DB越大,破裂模式越复杂。(4)三维破裂模式以节理端部扩展产生的2~3个张拉翼裂隙面为主,内部三维宏观裂隙面上存在由不完全张拉破裂引起的非连续结构。     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

基于无人机航测的丹霞地貌区危岩结构面识别与三维裂隙网络模型

丹霞地貌地区是我国地质灾害高发区,裸露的近水平红色砂岩、砾岩陡崖是其最主要的地质特征。在地质构造与包括化学溶蚀、物理风化、重力和生物等内外动力作用下,陡崖岩体节理裂隙十分发育,危岩崩滑灾害表现出变形模式复杂、破坏力强的特点,并且由于坡体结构复杂,工程勘察难度大。为此,以四面山景区滴水岩变形危岩为例,介绍了一种基于无人机勘查技术的高陡破碎岩坡表生节理面的野外快速识别方法及高精度图像建模方法,在准确把握危岩体控制结构面的空间展布特征的基础上,建立了符合丹霞地貌高位破碎危岩的三维随机裂隙网络模型。以期为地区危岩稳定性评价与防治工作提供理论指导。     

涡轮取芯钻进工艺在干热岩钻井中的应用

我国干热岩勘探刚刚起步。为准确评价干热岩型地热资源的资源量,需要钻获高质量的干热岩岩心,但目前针对高温、高硬度、高研磨工况下的干热岩取芯钻进工艺研究较少,严重制约了干热岩型地热资源的准确评价。为此,自主研发了Φ127 mm涡轮钻具,在福建漳州HDR-1井和青海共和GR1井进行了干热岩钻井取芯应用研究,研究验证了研发的涡轮钻具与KT-140取芯钻具的适配性、涡轮钻具与金刚石取芯钻头的匹配性,揭示了高温和硬岩井况下涡轮钻具工作特性,经受住了孔底236 ℃高温考验,钻获了高质量岩心,取得了涡轮钻具现场测试应用的各项参数;涡轮取芯钻进工艺与常规取芯钻进工艺相比,既充分发挥了涡轮钻具高转速的性能,也发挥了其耐高温、耐研磨、耐高地应力、使用寿命长和现场劳动强度低的特性,干热岩取芯钻速和质量大大提高。该工艺是高温深孔干热岩井下动力回转钻具驱动取芯钻头进行取芯钻进的首次成功尝试,为干热岩涡轮钻具复合取芯钻井技术的进一步科研攻关、现场试验与推广应用提供了宝贵的施工应用经验和借鉴,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。     

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。     

法向卸荷下贯通裂隙岩样压剪破坏特征研究

开展贯通裂隙岩样在法向卸荷下的压剪破坏研究,有助于更好地理解岩体裂隙在卸荷条件下的失稳特征。对单裂隙贯通岩样开展剪切应力峰前一系列法向卸荷破坏试验,分析了法向卸荷下试样裂隙的变形及能量演化规律。结果表明,法向卸荷下裂隙压剪失稳时的法向应力大于常规直剪试验的对应值,裂隙的抗剪能力减弱;剪切位移随法向应力减小而增大;卸荷变形比K随裂隙轮廓面积比Rs的增加而增大;卸荷过程中总变形能U0由减小转变为增加的现象可用于预测岩石裂隙卸荷失稳。研究结果对理解贯通裂隙岩体压剪卸荷失稳破坏具有一定参考意义。     

高应力大断面煤巷锚杆索桁架系统试验研究

高应力构造区大断面煤巷围岩控制技术是煤矿巷道工程中亟需研究的问题之一。以峰峰集团新三矿废矸充填复杂困难煤巷为典型研究对象,综合现场调研和数值模拟分析结果得出高应力作用下大断面煤巷变形破坏特征,提出一种基于“索-拱”结构为核心的高应力煤巷围岩控制系统-锚杆索桁架,分析该支护系统基本结构,设计流程及支护预应力场分布特征,在新三矿某一置换煤巷开展工业性试验,研究结果表明,新型支护系统结构稳定,巷道围岩控制效果良好,对类似困难巷道支护具有一定的理论和实用参考价值。     

松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究

隧道穿越复杂松散堆积体地层时,如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道,基于Monte Carlo随机原理,结合数字图像处理技术,建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型,并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制,并在现场进行应用验证。研究结果表明,构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程,围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布;围岩破坏以剪切破坏为主,局部存在拉裂?剪切复合破坏,且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展,形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈,在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征,提出了围岩注浆加固措施,地层加固后土石颗粒间胶结良好,开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈,开挖支护过程围岩变形可控,支护结构稳定,效果良好,可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。     

基于光栅传感的模型测量系统应用研究

模型试验作为解决复杂工程问题的一种有效手段已越来越受到重视。然而,与目前发展较快的模型试验系统和较为成熟的相似理论相比,测试技术相对滞后的问题依然存在。测量的精度与稳定性不能满足模型试验的需求。基于光纤/光栅传感技术的高精密性、稳定性和机光电一体的特性,结合模型试验的特殊测量要求,通过改进数据接收算法,研制了基于光学传感技术的模型位移/应变测量系统,包括光栅传感模型位移和光纤传感模型应变测试系统。该系统稳定、精度高、抗干扰,并能监测不连续位移。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩地下储气库变形特征地质力学模型试验中,测得了气压变化条件下围岩位移收敛和径向应变蠕变规律,测得在不同稳压阶段和不同注采气速率条件下围岩变形的不同特征。试验数据为合理确定盐岩储气库运营气压和注采气速率提供帮助,对盐岩储气库的安全稳定运营有重要意义。     

Summary of Numerical Models for Predicting Productivity of Shale Gas Horizontal Wells

Shale gas production has gradually achieved high and stable output, which makes it possible to make up for the shortage of oil and gas energy as an alternative energy source. Shale reservoir is compact, with well-developed nano-pore, and has the characteristics of adsorption and desorption, diffusion and slippage. At the same time, there are a large number of natural cracks, bedding and foliation. Hydraulic fractures expand irregularly after volume fracturing in horizontal wells. The whole system has multi-field coupling and cross-scale flow effects. Productivity prediction of shale gas is difficult and uncertain, which restricts the efficient development and evaluation of shale reservoirs. In this paper, the development status of productivity numerical models for shale gas horizontal wells is reviewed in consideration of the multi-scale transport characteristics of shale gas. These models include dual media capacity models, multiple media capacity models, and complex seam productivity models. It is considered that the dual medium and multi-media productivity models weaken the large permeable flow area and channel provided by the complex seam network system after shale reservoir lamination, and cannot comprehensively characterize the full-scale coupled transport characteristics of shale gas. The numerical model for productivity prediction of shale gas horizontal wells based on complex fracture network provides a multi-scale flow embedded fracture network system, which solves the problem of systematic flow without losing the ability to accurately characterize each scale flow. It is necessary to obtain the complex fracture network morphological characterization which conforms to reservoir geological characteristics, rock mechanical behavior and fluid-solid coupling mechanism. Fracture network characterization is the key to the productivity prediction of shale gas horizontal wells.     

煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σ_H > 垂向应力σ_v > 最小水平主应力σ_h,水力压裂裂缝沿着垂直于σ_h的方向扩展。σ_v和σ_h一定,随着σ_H的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σ_H远大于σ_v和σ_h时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。