运用水压破裂法测试岩石的抗拉强度

劈裂法受试验条件的影响很难得出理想的结果，而水压破裂试验有试件受力载荷不受人为因素干扰的优点，测得的抗拉强度具有较高的可信度，并且在工程实际中有广泛的用途。本文在研究水压破裂法测试岩石抗拉强度的方法及原理的基础上，用统计断裂力学整理试验结果，并与巴西法作了比较。试验表明，用威布尔二参数模型的统计断裂力学方法研究岩石抗拉强度是可行的，并具有良好的线性关系。     

基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明：围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。     

浅议实验室岩石抗拉强度测量方法

岩石抗拉强度是研究岩石破裂、岩体失稳和岩体破坏过程的重要输入参数,但是如何准确确定岩石抗拉强度仍然存在很多争议。本文系统地梳理和总结了多种抗拉强度测量方法的研究成果,岩石抗拉强度测定包括直接拉伸法和间接拉伸法,其中直接拉伸法包括直接拉伸试验、双轴延伸试验、Luong试验;间接拉伸法包括巴西劈裂试验、弯曲拉伸试验、空心岩柱液压致裂试验等。对各种方法的研究现状、试验原理、影响因素、试验结果进行了简要总结回顾,比较了各试验的特点及适用范围。为日后工程实践中较好地选择岩石抗拉强度的测量方法提供参考。     

水压致裂测量地应力的断裂力学方法

本文提出了一个水压致裂测量地应力的新的断裂力学方法.该方法改进了 Abou-Sayed 等人（1 978）提出的断裂力学方法.因为当裂隙长度小于某一临界值时,岩石的断裂韧度 K1 c与裂隙长度相关.另外,精确地确定岩石中原生裂隙长度 L 是非常困难的。因此,在计算最大水平主应力时,用一个新参数 U(U=K1 cπ1/2L)代替 K1 c和 L,将显著地提高最大水平主应力的精确度.此外,这个参数可以通过一个简单的空心圆柱破裂实验直接来测定.基于岩石断裂韧度最近的实验结果,当裂隙长度小于某一临界值时,新参数 U 近似为岩石材料常量.同时,参量21/2U 可以取做为含有随机分布较小裂隙的岩石抗拉强度.     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

空心岩柱法测岩石抗拉强度试验进展浅析

岩石抗拉强度是岩石力学与工程研究中的重要参数之一。除了常规的几种岩石抗拉强度测量试验,空心岩柱法测岩石抗拉强度试验作为岩石抗拉强度测量试验的补充,在国外已有了较全面的研究,而国内对该试验的研究还很少,值得对该类试验归纳整理,探究其岩石抗拉强度的测量效果。通过从力学模型、试验开展现状、试验特征及影响因素等方面对国内外空心岩柱液压致裂试验文献进行整理总结,并与常规试验的测量结果进行对比分析,得出影响试验的主要因素为注液加载速率、岩样的尺寸规格、孔内液压与围压差值等。该类试验岩样加工简便,试验自身干扰因素较少、结果波动性小,相比其他常规的岩石抗拉强度测试试验具有一定的优越性。     

空心岩柱法测岩石抗拉强度试验进展浅析

岩石抗拉强度是岩石力学与工程研究中的重要参数之一。除了常规的几种岩石抗拉强度测量试验,空心岩柱法测岩石抗拉强度试验作为岩石抗拉强度测量试验的补充,在国外已有了较全面的研究,而国内对该试验的研究还很少,值得对该类试验归纳整理,探究其岩石抗拉强度的测量效果。通过从力学模型、试验开展现状、试验特征及影响因素等方面对国内外空心岩柱液压致裂试验文献进行整理总结,并与常规试验的测量结果进行对比分析,得出影响试验的主要因素为注液加载速率、岩样的尺寸规格、孔内液压与围压差值等。该类试验岩样加工简便,试验自身干扰因素较少、结果波动性小,相比其他常规的岩石抗拉强度测试试验具有一定的优越性。     

浅谈水压致裂应力测量资料的解释与分析

一、引言水压致裂原地应力测量,测量方法简便易行,事先无需知道岩石力学参数,可以重复、连续测量,结果比较可靠.同时还可提供其它测量方法不能得到的、工程上也很需要的一些岩石力学参数,如原地抗拉强度、完整岩石的破裂压力等.由于这一方法具有显著优点,近年来在国内外得以大力推广,现已被广泛应用于大型地下工程、抽水蓄能电站、     

化学溶液及其水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩压缩破裂试验。通过电镜扫描、X衍射、水质分析等分析方法,对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究。采用数字显微系统,对其压缩破裂过程进行实时观测和记录,得到了岩石破裂过程的细观图像;探讨了蒸馏水、不同pH值的0.1 mol/L Na2SO4溶液及其水压力作用对单裂纹灰岩变形和强度特性的影响。研究表明,受化学侵蚀后岩石的结构及成分均发生了不同程度的变化,导致其非均质性增加,而强度、弹性模量等降低,其力学性质劣化的程度与岩石中矿物成分的变化程度相关;孔隙水压的作用改变了岩石内部裂隙面和颗粒间的受力状态,加速了岩石裂纹的扩展,降低了岩石强度,水化学溶液及其水压作用使得岩石的破裂形式变得更为复杂。     

基于正态分布的岩石损伤统计本构模型及其参数确定方法研究

根据岩石微元强度服从正态分布的特点,引进能合理描述岩石微元强度的参量,基于岩石三轴应力应变试验曲线建立了反映岩石破裂全过程的统计损伤本构模型。在此基础上,重点探讨了正态分布参数对岩石损伤本构模型的影响,据此对岩石统计损伤模型进行了合理修正,从而建立了反映岩石破裂全过程的三维统计损伤本构模型,与试验结果及现有研究结果进行比较显示了该模型的合理性,具有广泛的应用前景。     

三向应力下土体水力劈裂的破坏机理及适用性探讨

土体中的水力劈裂破坏机理存在两种观点：张拉破坏机理和剪切破坏机理。前人已经对其进行了大量地研究,并分别基于两种破坏机理提出了起劈压力的理论计算式,但是对其适用性没有进一步探讨。分别分析三向应力状态下土体水力劈裂的张拉破坏和剪切破坏判定准则,并基于Mohr-Coulomb屈服准则分析两种破坏机理的适用条件。分析结果表明,土体的水力劈裂是张拉破坏还是剪切破坏与小主应力σ3和不排水抗剪强度cu的大小密切相关,当小主应力σ3较大且不排水抗剪强度cu较小时,土体的劈裂多受剪切破坏机理控制;反之,土体的劈裂为张拉破坏。最后通过已有文献中的试验结果验证了所提出的两种破坏机理适用条件的合理性。     

Finite element simulations of 3D planar hydraulic fracture propagation using a coupled hydro-mechanical interface element

Two-dimensional hydraulic fracturing simulations using the cohesive zone model (CZM) can be readily found in the literature; however, to our knowledge, verified 3D cohesive zone modeling is not available. We present the development of a 3D fully coupled hydro-mechanical finite element method (FEM) model (with parallel computation framework) and its application to hydraulic fracturing. A special zero-thickness interface element based on the CZM is developed for modeling fracture propagation and fluid flow. A local traction-separation law with strain softening is used to capture tensile cracking. The model is verified by considering penny-shaped hydraulic fracture and plain strain Kristianovich‑Geertsma‑de Klerk hydraulic fracture (in 3D) in the viscosity- and toughness-dominated regimes. Good agreement between numerical results and analytical solutions has been achieved. The model is used to investigate the influence of rock and fluid properties on hydraulic fracturing. Lower stiffness tip cohesive elements tend to yield a larger elastic deformation around the fracture tips before the tensile strength is reached, generating a larger fracture length and lower fracture pressure compared with higher stiffness elements. It is found that the energy release rate has almost no influence on hydraulic fracturing in the viscosity-dominated regime because the energy spent in creating new fractures is too small when compared with the total input energy. For the toughness-dominated regime, the released energy during fracturing should be accurately captured; relatively large tensile strength should be used in order to match numerical results to the asymptotic analytical solutions. It requires smaller elements when compared with those used in the viscosity-dominated regime.     

Fracturing and Episodic Fluid Expulsion in Pressure Compartments

ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｐｒｉ－ｍａｒｉｌｙｂｙＤ．Ｅ．ＰｏｗｌｅｙａｎｄＪ．Ｓ．Ｂｒａｄｌｅｙｉｎｔｈｅｅａｒｌｙ１９７０ｓ,ｗｈｏｈａｖｅｕｓｅｄｔｈｉｓｉｄｅ...     

水力裂缝穿越非连续面扩展时的断裂过程研究

非连续面发育是非常规油气储层的显著地质特征之一,水力裂缝能否穿越非连续面扩展会关系到压裂的改造效果。为研究水力裂缝穿越非连续面扩展时断裂过程区（fracture process zone,简称FPZ）发育特征,采用自主设计的可视化压裂试验装置对含预制摩擦界面的砂岩平板试件开展水力压裂试验。基于数字图像相关法实时监测了水力裂缝正交穿越界面扩展过程中的位移及应变场特征。试验结果表明,水力裂缝穿越界面扩展之前,断裂过程区已经开始跨越界面发育;裂缝能否穿越界面扩展在FPZ的初始发育阶段已经注定,不受FPZ内应力软化过程影响。基于Renshaw-Pollard准则建立了考虑FPZ边界范围的裂缝穿越非连续面扩展准则,并通过前人及文中试验数据进行了可靠性验证。相比而言,改进准则更准确地考虑了裂缝前端线弹性断裂力学的适用范围。研究发现FPZ长宽比对裂缝穿越界面扩展准则有显著影响,相同条件下,FPZ长宽比越大,裂缝正交穿越界面扩展所需要的摩擦系数下限值越小。     

考虑页岩层理剪切滑移的水力裂缝几何参数计算方法

针对现有页岩气体积压裂层理裂缝扩展模型及其计算方法研究的不足,基于三点弯曲试验,结合数字图像法获取了页岩层理关键力学参数;利用弹性力学理论和线弹簧模型建立了页岩气体积压裂层理裂缝扩展拟三维数学模型,并得到了试验验证;开发了裂缝几何参数计算程序,计算分析了层理参数与压裂施工参数对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明：当层理刚度小于10 GPa/m及大于30 GPa/m时,剪切滑移量达到极大值及极小值,且基本保持不变,当层理刚度在10～30 GPa/m之间时,层理刚度与剪切滑移量呈线性负相关关系;当层理密度为5～7条时,主裂缝会沟通更多的层理;当层理强度为5～8 MPa时,水力裂缝易穿层扩展,且能使层理产生剪切滑移,从而生成复杂裂缝;当压裂液排量和压裂液黏度分别在9～12 m3/min和2.5～5m Pa·s范围内时,水力裂缝易穿层扩展,最终形成十字型裂缝,有助于复杂裂缝的形成。该研究对认识页岩层理力学性能及其对层理裂缝扩展规律的影响有一定的指导意义。     

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。     

围压下泥岩断裂韧性测试与解释方法

根据围压条件下的断裂力学理论 ,采用双翼裂纹厚壁圆筒 ,对泥岩进行了不同围压和不同泥质含量条件下的人工岩样断裂韧性测试。建立了有限元方法解释断裂韧性的数值模型。在进行大量实验测试的基础上 ,通过回归分析表明 ,断裂韧性与围压、泥质含量有较好的线性统计关系。解决了水力压裂设计中断裂韧性参数的准确获取问题 ,有利于提高压裂设计、预测的精度     

页岩储层体积压裂裂缝扩展机制研究

页岩储层天然裂缝、水平层理发育,水力压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝。针对页岩储层体积裂缝扩展问题,基于流-固耦合基本方程和损伤力学原理,建立了页岩储层水力压裂体积裂缝扩展的三维有限元模型。将数值模型的模拟结果与页岩储层裂缝扩展室内试验结果进行对比,二者吻合较好,从而证明了数值模型的可靠性。通过一系列数值模拟发现：（1）水力压裂过程中水平层理可能张开,形成水平缝,水平与垂直缝相互交错,形成复杂的体积裂缝网络;（2）水平主应力差增大,体积裂缝的分布长度（水平最大主应力方向压裂裂缝的展布距离）增加、分布宽度（水平最小主应力方向压裂裂缝的展布距离）减小,体积裂缝的长宽比增加;（3）压裂施工排量增大,体积裂缝的分布长度减小、宽度增加,压裂裂缝的长宽比降低;（4）天然裂缝的残余抗张强度增大,体积裂缝分布宽度减小、分布长度增加,体积裂缝的长宽比增加。研究成果可以为国内的页岩气的压裂设计和施工提供一定的参考和借鉴。     

Effects of mechanical layering on hydraulic fracturing in shale gas reservoirs based on numerical models

Generally, induced hydraulic fractures are generated by fluid overpressure and are used to increase reservoir permeability through forming interconnected fracture systems. However, in heterogeneous and anisotropic rocks, many hydraulic fractures may become arrested or offset at layer contacts under certain conditions and do not form vertically connected fracture networks. Mechanical layering is an important factor causing anisotropy in sedimentary layers. Hence, in this study, with a shale gas reservoir case study in the Longmaxi Formation in the southeastern Chongqing region, Sichuan Basin, we present results from several numerical models to gain quantitative insights into the effects of mechanical layering on hydraulic fracturing. Results showed that the fractured area caused by hydraulic fracturing indicated a linear relationship with the neighboring layer’s Young’s modulus. An increase of the neighboring layer’s Young’s modulus resulted in better hydraulic fracturing effects. In addition, the contact between two neighboring layers is regarded as a zone with thickness and mechanical properties, which also influences the effects of hydraulic fracturing in reservoirs. The initial hydraulic fracture was unable to propagate into neighboring layers under a relatively low contact’s Young’s modulus. When associated local tensile stresses exceeded the rock strength, hydraulic fractures propagated into neighboring layers. Moreover, with the contact’s Young’s modulus becoming higher, the fractured area increased rapidly first, then slowly and finally became stable.