单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

多级循环泵注水力压裂模拟实验研究

超深储层地层起裂压力较高,水力压裂受现场泵注设备的限制严重,文中重点研究了大尺度水力压裂物模实验水泥样品尺寸（762 mm×762 mm×914 mm）在循环和常规两种泵注条件下的起裂扩展和声发射规律。实验结果显示,（1）相对于普通泵注,采用循环泵注方式进行水力压裂可以有效降低起裂压力,类似于单轴和三轴循环加载岩石力学行为,都是由于循环加载引起疲劳损伤;（2）对于螺旋射孔完井方式,水力压裂裂缝只从最薄弱射孔处起裂,一旦起裂后其他射孔孔眼很难再开启,水力压裂现场应合理选择分段距离和簇间距,实现储层改造效率最优化;（3）循环泵注水力压裂存在Kaiser效应（当加载应力到前次加载最高应力值时出现的声发射信息）。因孔隙流体扩散到岩石并导致孔隙压力的局部上升,破坏模式仍然可以由摩尔圆表示。研究成果对循环泵注条件的裂缝扩展规律研究以及发展新型压裂改造技术具有重要意义。     

岩样密实度对水力压裂特征参数的影响研究

为研究水力压裂在不同致密程度岩样中的压裂效果及其流固耦合作用机理，制作了不同密实度的两种重塑样，利用真密度测试仪、声波测试系统分别测定了两种试样的孔隙比例、声波大小，并结合三轴加载水力压裂监测系统，模拟一定地层压力条件下不同密实度试样的水力压裂试验。分析不同孔隙度下声波试验获得的声波数据得出:试验制得的试样致密程度不同，孔隙大的试样密实度较小，波速大小与试样密实度呈正相关；水力压裂试验中，致密试样的裂缝扩展方向与最大主应力平行。水压曲线变化趋势为:低密实度时，达到峰值压力的时间较峰后段持续时间短，高密实度试样则相反；低密实度试样的破裂压力值低于水力压裂缝内水压曲线的峰值，高密实度试样两压力值相当。结合高、低密实度试样的分析并进行高密实度试样的无围压试验可以得出:较小的流量变化对致密度较大的试样裂缝扩展方向影响较小，说明其渗流作用较弱。应力集中效应在无围压的试样和低密实度试样均表现明显，这说明，水力压裂试验中应力集中现象在低密实度试样中表现明显，这与其渗流作用较强有关，水力压裂渗流作用与注液流量正相关，在低密实度试样表现显著。     

深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为：裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水...     

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。      

含结构面相似材料水力裂缝演化的实验研究

结构面广泛赋存于煤系中,是影响煤岩水力压裂效果的关键因素之一。调节结构面制作时间和充填材料类型,制作不同结构面类型的煤岩试件,并开展水力压裂物理实验,探究结构面类型与注入流量对水力裂缝延伸的影响及作用机制。结果表明：当注入流量为50 mL/min时,纯样试件(无结构面)的破裂压力高于含结构面试件的破裂压力,延时结构面制备间隔时间对试件破裂压力的影响很弱,调整结构面的充填材料后试件破裂压力最大降低28.79%;随着注入流量的提高,充填材料为云母,水泥试件破裂压力、声发射振铃计数峰值增大,压力上升阶段的持续时间显著缩短,水力裂缝在结构面处的延伸模式由沿结构面延伸逐渐转向沿最大主应力方向延伸。结构面类型与注入流量对水力裂缝在结构面处延伸模式的影响,主要是由于改变了水力裂缝延伸至结构面时结构面上的应力状况,可以通过理论分析预测水力裂缝与结构面的交叉延伸模式,根据结构面上应力状况,通过调节注入流量调整水力裂缝的延伸方向。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论：致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5. 7倍和1. 7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

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。     

坚硬顶板超前区域治理技术在神东布尔台煤矿的应用

坚硬顶板是岩层控制的一大难题,高位坚硬岩层的破断失稳经常会诱发强矿压灾害,严重威胁矿井的安全生产,坚硬顶板的治理是煤矿安全生产的重大难题之一。针对神东矿区布尔台煤矿煤层顶板厚度大、硬度高、垮落难等问题,分析定向长钻孔分段水力压裂的压裂机理和技术优势,基于关键层理论确定了钻孔布置层位,采用拟三维裂缝模型对压裂注入时间和注入流速对裂缝扩展的影响进行分析计算,确定布尔台煤矿42108工作面顶板压裂钻孔布置方式,沿工作面倾向方向平行布孔3个,裂缝半长41 m,压裂控制区域覆盖了整个工作面。实践表明:42108工作面在实施了坚硬顶板分段水力压裂弱化后,工作面正常支架循环末阻力同比下降3.33%;周期来压期间,支架循环末阻力同比下降6.81%;动载系数平均降低了10.88%;强矿压显现减弱,保证工作面安全回采。      

满洲里小尖山盆地构造、蚀变特征与铀矿化

小尖山盆地发育断裂、火山构造及热液蚀变,已发现铀矿化、铀异常,是满洲里地区重要的火山岩型铀成矿远景区。依据区域重力资料,结合遥感、 CSAMT测量及地质勘查成果,明确盆地早期以NE向断裂构造为主,晚期NW向发育,属火山断陷盆地,具有阶梯状断陷特征。铀矿化与高岭石化、钾长石化及硅化关系密切,局部垂向上显示分带特性,且铀钼共生。成矿作用受NE、 NW向断裂构造控制,与区域成矿规律具有一致性。     

某煤矿采空区对输电铁塔地基影响数值研究

基于某采空区对坐落于其上的输电铁塔塔基稳定性影响的数值分析结果,定量分析受开采影响的地表移动变形在时间和空间上的分布规律,用来判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度,作为受影响建筑物进行维修、加固、重建或采取地下开采措施的重要依据,所得的结果与常用计算方法所得结果基本一致。     

神农架后山坪地区古城组碳酸盐岩地球化学特征及其意义

为研究神农架后山坪地区古城组碳酸盐岩的地球化学特征及其成因和沉积环境,系统采集了该组样品并进行主、微量元素地球化学分析。结果显示,样品的TiO_2与SiO_2、Al_2O_3呈一定程度的正相关,与CaO、MgO呈负相关,说明古城组的沉积物来源可能为陆源沉积物和化学沉积物,主要为陆源沉积物;古城组沉积岩为水成沉积岩,非热水来源沉积,沉积物富火山碎屑或经历过钾交代变质作用;古城组沉积时为寒冷干燥、化学风化作用弱的古海洋氧化环境,地球化学参数指示,古城组沉积时期的氧化程度较比中元古代古海洋环境强,这与该时期所发育的冰期(古城冰期)有良好对应。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

方沸石-白榴石系列矿物的制备与应用

方沸石属小孔沸石,既是天然矿物,又可人工合成。在Na2O-Al2O3-SiO2-H2O水热体系,方沸石结构稳定,其生成受热力学因素控制,多种含SiO2、Al2O3组分的原料均可合成方沸石,且易于实现。方沸石通过离子替代可形成多种方沸石-白榴石系列矿物,离子交换反应存在2种形式,与交换离子尺寸相关。在农业上,负载有K、N等营养元素的方沸石兼具土壤调理和养分缓释/控释功能,是一种新型生态型肥料;在废水处理方面,方沸石可吸附多种金属离子,并对放射性元素封存有独特效果;在石油化工领域,方沸石限于对特定小分子的催化氧化作用。从绿色生态角度考虑,水热处理固体废弃物并用于有害离子处理、利用富钾岩石在制取钾盐的同时制备方沸石并用作土壤调理剂及新型缓释肥料是此类矿物资源综合利用的有效途径。     

不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作出30个含10级粗糙度(JRC=1~20)、3种厚度(1.5、3.0、5.0mm)的裂隙插片,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试件,并对所制备的试件开展渗透性试验,研究在不同围压水平下不同粗糙度、不同隙宽贯通充填裂隙的渗流特性。试验结果表明:(1)不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗透率均随围压增加而减小,且在围压加载初期,裂隙渗透率的降低速度明显要高于围压加载中后期,最大渗透率降差达到78%。(2)围压加载初期,隙宽较小时,裂隙渗透率有随粗糙度增加而减小的趋势,且离散性较大;随着围压和隙宽的增加,粗糙度对裂隙渗透性的影响迅速减小。(3)对于10级不同粗糙度贯通充填裂隙,围压加载过程中,均有隙宽越大,裂隙渗透率越大的规律;且在围压较小时,粗糙度越大,不同隙宽贯通充填裂隙渗透率的差值越大,但随着围压的升高,这种影响逐渐被消除。(4)围压对贯通充填裂隙渗透率的影响处于主导地位,两者之间的关系可用幂函数进行描述。     

沁水盆地东部Y井煤系页岩元素地球化学及其沉积-构造环境

为探讨沁水盆地东部Y井煤系页岩的元素地球化学特征,对下二叠统山西组、太原组的煤系页岩进行了系统采样,并应用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对18个煤系页岩样品的微量及稀土元素进行了分析测试。结果表明,煤系页岩的Sr、Sr/Ba、V/(V+Ni)、Ce_anom等地球化学指标的垂向变化,反映了从太原组到山西组沉积时期,水体古盐度整体逐渐降低的还原环境;物源主要来自盆地北邻阴山古陆前寒武纪花岗岩、麻粒岩及各时代侵入岩,源区构造背景主要为与大陆岛弧相关的活动大陆边缘。     

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。     

黏土矿物含量对CO_2地质埋存体盖层封闭性的影响

为了解CO_2地质储存过程中黏土矿物含量对盖层封闭性的影响,本文以鄂尔多斯盆地三叠系和尚沟组泥岩盖层为研究对象,利用TOUGHREACT软件研究了不同黏土矿物含量、储层厚度对盖层封闭性的影响。研究表明,当盖层黏土矿物含量达到50%时,渗透率最大可减降低36%,有效封存厚度可达70 m;当黏土矿物含量减少至10%时,盖层自封闭性大幅降低,有效封存厚度为4 m,且盖层中的蒙脱石也由沉淀转化为溶解。黏土矿物含量越高,盖层封闭性越强,有效封存厚度越大。储层厚度对盖层封闭性有直接影响,当储层厚度大于盖层有效封存厚度时,则会发生泄漏;当储层厚度达到100 m时,CO_2将在125年后穿透黏土矿物含量为50%的盖层。本研究可为CO_2地质储存的储盖层选择和安全性评价提供理论依据。