土石坝心墙水力劈裂机制研究

心墙的水力劈裂问题是土质心墙坝建设中亟需解决但尚未很好解决的重要岩土工程问题。从心墙受力变形方面探讨了水力劈裂发生、发展的机制。研究认为：水库蓄水初期是水力劈裂的危险期;完全均质的心墙内不会发生水力劈裂;“裂缝或局部的缺陷”及“迅速蓄水的初期”是土石坝心墙发生水力劈裂的两个重要条件,水力劈裂发生的根本原因是局部高水力梯度的存在。最后,对上述机制进行了简单的试验验证。为进一步研究水力劈裂发生的判定、水力劈裂计算模拟指出了研究方向与思路。     

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。     

应用水力空化射流技术提高灰岩地层钻速

水力空化射流技术具有安全、可靠、效果好等特点,在石油钻井中得到了推广应用。针对伊朗Y油田中下部中硬灰岩地层可钻性差、机械钻速低的情况,试验应用了水力空化射流工具。研究了试验油田的地层强度及可钻性参数,优选了水力脉冲空化射流装置和下部钻具组合,优化了机械及水力参数。现场实钻资料表明,水力空化射流工具提高钻速明显,对中硬地层的灰岩具有良好的钻进效果。     

国际水力压裂与地震关系研究进展及地质工作建议

水力压裂技术是开采致密气、煤层气、页岩油气、干热岩等资源的一项关键技术,随着中国页岩气主产区四川盆地及周缘规模化工业开采活动的不断推进,水力压裂等工作量激增,关于水力压裂是否诱发地震的问题受到各界高度关注。综述了国际水力压裂诱发地震风险的研究进展,梳理了国际上采取的有效风险防控措施,研究表明,水力压裂通过高压注入流体使岩石产生裂缝,不可避免地会导致微震活动发生;水力压裂诱发地震活动机理研究取得进展,为风险防控提供基础;水力压裂对三级以上地震活动影响有限,自然地震较少的地区人为地震活动记录也较少;水力压裂诱发微地震可能有助于释放累积的地应力或能量,降低大震风险;目前国际上水力压裂对地震的影响尚未量化。国际上已实施了应对水力压裂诱发地震风险的工程措施、法律制度、管理措施、技术研发等系列有效防控措施。对中国页岩油气、干热岩等资源开发提出建议：加强断裂构造调查评价,将水力压裂控制在距断层一定距离以内;加强微震监测,开展水力压裂地震危害评估;加强关键科学问题研究;加大公众科普宣传力度。     

水力劈裂过程中裂隙体积的估算

由于水力劈裂技术应用领域越来越广泛,评价裂隙劈裂效果变得越来越重要。本文对水力劈裂过程中裂隙的体积进行简单的探讨。文中给出了水力破裂过程中裂隙的概念模型,推导了该模型下求解裂隙体积的计算公式,并利用现场水力劈裂试验结果对裂隙进行估算。     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。     

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。     

土壤分形结构对其水力性质的指示作用

研究土壤的水力性质是进行生态水文模拟、农业水分管理和环境监测的关键,然而强烈的空间变异造成土壤的物性特征异常复杂,特别是水力性质测定困难,试验结果随机性强,耗费大量人力物力,却难以准确描述。本文在综合分析了国内外30余种量化土壤水力性质的研究方法的优劣后,系统总结了分形理论在土壤物性特征研究中的应用,剖析了分形理论与土壤水力性质之间的关系,旨在探讨土壤分形结构在水力性质领域的发展前景,以及在测定水力特性参数时所具备的优势。结果表明：(1)采用分形方法定量研究土壤结构具备可行性;(2)分形结构方法能够指示水力性质,并能为快速准确刻画不同尺度下的土壤水分分布特征提供科学依据;(3)利用已知土壤水力性质建立分形模型可以有效反演土壤结构。     

基于Copula理论的粗粒土渗透破坏临界水力比降估值

破坏水力比降是土体渗透稳定性分析和渗流控制的基础。以渗透变形试验为基础,分析了粗粒土临界水力比降与孔隙比、级配不均匀系数和曲率系数间的相关性。利用Copula理论适合建立多个非独立变量间联合分布函数的优点,构造了拟合粗粒土临界水力比降 、孔隙比e、级配不均匀系数 和曲率系数 间相关关系的最优Copula函数,并将其应用于粗粒土临界水力比降估值。结果表明：具有单参数的四维对称Archimedean Copula函数的Nelsen No 6为最优Copula函数。利用构造的最优Copula函数求条件概率,便可得到粗粒土临界水力比降估值的保证率,或者计算在一定保证率条件下临界水力比降估值。通过比较临界水力比降试验值与Copula理论方法、Terzaghi公式及刘杰公式估值,阐述了Copula理论的可靠性,为建立粗粒土临界水力比降与孔隙比及级配特征的多变量统计概率关系及临界水力比降估值提供了一种新途径。     

对水力梯度的理解及其应用分析

本文从对潜水水力坡度的理解入手，分析了影响水力梯度的因素，提出了在计算水力梯度时应注意的问题，并进行了应用分析。     

自然营造力作用下岩体混凝土水力劈裂分析与探讨

水利水电、矿业等工程在自然营造力作用下的水力劈裂边界条件与人工致裂不完全相同,有其自身的特点。在总结自然营造力作用下水力劈裂特点的基础上,根据研究的尺度不同,将水力劈裂研究分为岩体宏观的、综合的、统计意义上的水力劈裂和单裂纹的水力劈裂研究两种。分析了单裂纹内水流特性,将单裂纹内的水力劈裂分为两个阶段（或两种情况）分别进行研究,并将此问题得以简化,同时还提出了不同阶段裂纹内水流运动分析的模型。     

水平井中多条裂缝同步扩展时裂缝竞争机制

水平井中多条水力裂缝间的应力干扰行为,造成了压裂液排量的非均匀分配,影响了水力裂缝的几何形态。采用边界元法研究岩体在压裂液作用下的变形程度,以幂律流体泊肃叶平板流动方程来研究水力裂缝内部的压裂液流场,考虑了多条裂缝间应力干扰和压裂液流量分配,建立了流-固耦合的水平井多条水力裂缝同步扩展模型。模型可模拟水平井多条水力裂缝几何形态、应力干扰情况和压裂液排量的分配情况,可解释水力裂缝之间的竞争机制。多条裂缝同步扩展时,压裂液排量并非均等地分配到各个裂缝之中,进入到内部裂缝的压裂液流量最小,内部裂缝宽度最小;内部的水力裂缝增长一定长度后,停止增长,并且在应力干扰下逐渐闭合。     

水力联系系数法定量评价含水层之间水力联系

为了定量研究与评价含水层之间地下水水力联系程度,首次提出了水力联系系数C（hydraulic connection coefficient）的概念。将水力联系系数C定义为观测孔目的含水层水位降深与该观测孔位置抽水含水层水位降深的比值。通过水力联系系数,可定量评价某含水层水平上同层之间和垂向上不同含水层之间的水力联系程度。依据鄂尔多斯盆地白垩系洛河组各含水层段的水力联系系数C值,将含水层之间水力联系分为5个等级。其中,0.000 0 ≤ C<0.062 5,0.062 5 ≤ C<0.125 0,0.125 0 ≤ C<0.250 0,0.250 0 ≤ C<0.500 0,C ≥ 0.500 0,分别代表水力联系等级为极弱、弱、中等、强、极强。以高家堡井田钻孔抽（放）水试验数据为例,采用水力联系系数和观测孔水位响应时间两个指标定量评价了区内巨厚层状非均质洛河组含水层内部水力联系。结果表明：洛河组中上段水平同层之间的水力联系系数分别为0.373 0、0.413 8,观测孔水位响应时间较短（约为5 min）,水力联系强;洛河组下段水平同层之间水力联系系数分别为0.440 1、0.491 1,观测孔水位响应时间较短（为9~20 min）,水力联系强;洛河组中上段与下段垂向水力联系系数分别为0.000 2、0.007 2、0.089 7,观测孔水位响应时间较长（大于60 min）,水力联系极弱至弱。     

潜水回水初始阶段的定性半定量分析及对水跃成因的解释

文章提出并采用水力坡度分析方法,对潜水回水初始阶段进行了定性-半定量分析,为了解潜水回水过程提供了新的视角。通过分析潜水回水初始时刻的水力坡度,河渠侧的界面被分为2段:河间潜水位之上的铅直段和之下的水平段。水平段上点的水力坡度最大且相等,方向为水平向右;铅直段上点的水力坡度方向趋于铅直向下,越向上水力坡度越小。经过微小时间段Δt后,水力坡度均相应变小,铅直段相邻点间地下水运动发生冲突,水力坡度方向由趋于铅直向下向右偏转。将水力坡度分析方法用于分析潜水井流的过程和特征,水跃的成因可解释为:在相同水力坡度和过水断面面积下,井内大空间水流速度远大于孔隙中的潜水流速度,井内水位急速下降,从而形成水跃;水跃越大,进入井内的流量就越大。     

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术,为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验,通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、沟通割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机理、现场施工参数的选取提供技术支持。     

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。      

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术,为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验,通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、沟通割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机理、现场施工参数的选取提供技术支持。     

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术。为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验。通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、连接割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机制、现场施工参数的选取提供技术支持。     

高心墙堆石坝心墙水力劈裂的颗粒流模拟

目前针对堆石或土石坝的心墙水力劈裂问题虽然已取得了不少成果,但现有的成果大多从宏观的角度进行研究,对心墙水力劈裂发生机制的认识尚未达成一致的观点。采用颗粒流方法从细观角度对心墙水力劈裂问题进行初步研究,模拟了心墙水力劈裂发生和发展的过程。计算结果表明,劈裂水压力Pf随着竖向应力的增大而增大,且两者基本呈线性关系,与室内成果的规律基本一致;心墙在高水力梯度作用下,形成的水楔效应降低了裂缝尖端区附近的最大主应力,当该值小于或接近心墙上游的外水压力时则会导致水力劈裂的发生。此外,计算结果还证明了心墙发生水力劈裂的主要力学原因是由于心墙中的张拉应力超过了土体的抗拉强度。     

基于PFC2D数值模拟的交替压裂中应力阴影效应研究

为了探究应力阴影效应对交替压裂中压裂间距选取的影响,基于优化后的颗粒流离散元流固耦合计算模型,模拟并分析了双初始水力裂缝下因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,并与理论解析解进行对比,证明了该数值方法的合理性。在此基础上,分析了应力阴影效应在不同各向异性地应力场及初始压裂间距条件下对新水力裂缝的起裂压力及扩展形态的影响,研究结果表明：初始各向异性应力场不改变裂缝周边的应力场,不影响新水力裂缝的起裂压力;随着初始压裂间距的减小,应力阴影效应增强,新水力裂缝的起裂压力逐渐增加。初始水力裂缝间距与初始各向异性应力场共同影响新水力裂缝的扩展形态,随着初始水力裂缝间距或初始水平地应力场差异系数的增大,应力阴影对新水力裂缝的扩展方向的影响逐步减弱;初始水力裂缝对新水力裂缝的扩展有一定的限制作用,在一定程度上不利于形成复杂的裂缝网络。根据以上分析结果,对交替压裂中压裂间距的优化进行了定性的探讨。