三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟

对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,再应用三维重构技术生成相应的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假定溶质运移满足Fick定律,模拟水流和溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现：粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同进、出口工况下的流体流动及溶质运移状态亦表明：裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。这些结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内特别是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。     

接触型裂隙水力等效张开度研究

从接触型裂隙的渗流机理出发，通过水力等效，求出接触型裂隙水力等效张开度与裂隙粗糙凸起高度的关系，推导了具有半球状微凸体粗糙壁画的接触型裂隙渗透公式。室内实验研究证实了等效关系的可靠性。     

交叉裂隙水流N-S方程有限元分析

运用有限元理论从N-S方程(Navier-Stokesequation)出发,研究了交叉裂隙水流的基本特征.通过有限元计算结果与传统网络水力学算法及实验成果的对比分析,论述了在裂隙渗流分析中,传统网络计算方法的近似程度完全能为工程要求所接受.网络裂隙渗流分析计算时,不必再单独考虑裂隙水的偏流问题.     

岩石节理面形态与水力特性研究

通过节理面粗糙度测量、张开度模拟、节理渗流试验及有限元数值分析,探讨了岩石节理复杂的水力特性。研究表明,节理渗流具有明显的不均匀性、各向异性及与变形耦合等性质,节理的渗透系数与法向应力之间呈负指数关系。     

可膨胀波纹管水力膨胀力学特性研究

可膨胀波纹管技术主要用于解决复杂深孔井下事故频发、套管层次受限等技术难题。管串水力膨胀是该技术应用的关键环节,为了研究可膨胀波纹管水力膨胀中的力学特性,提高井下事故处理的成功率,本文采用有限元数值模拟与室内试验相结合的方式共同研究波纹管的水力膨胀过程。通过多次波纹管水力膨胀室内试验,对比有限元理论分析结果,得出二者对于波纹管水力膨胀力学特性曲线基本一致。可膨胀波纹管的弹性形变压力为0～2.5 MPa,管串压力处于3～9 MPa时截面关键点位移速率较大,可膨胀波纹管的水力膨胀压力为14 MPa,膨胀后波纹管截面尺寸外径最大均值Xmax 为136.98 mm,外径最小均值Xmin为104.58 mm,达到了波纹管机械膨胀对截面尺寸的要求,为波纹管野外试验及产业化应用提供了重要的理论依据与技术支撑。     

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件（CCD）照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络（DFN）模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes（简称N-S）方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时（比如J > 0.1）,通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时（比如J < 10-4）,Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。     

低应力下岩石裂隙水力特性

针对地表附近30～50 m的岩体裂隙处于一种低围压状态（约1 MPa左右）这一情况,提出了低应力状态下裂隙变形的两点假设：（1）裂隙面处于线弹性状态;（2）隙宽减小量相对于初始力学隙宽是一个微小量。结合Barton公式,建立了低法向应力下裂隙渗流的半经验理论公式,并从实验的角度验证了该公式的合理性。实验结果和理论分析表明：低法向应力作用下,裂隙渗透系数随法向应力的增加而线性降低。此外,给出了一种间接确定裂隙初始力学隙宽的方法。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。     

压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性—断裂损伤演化方程及试验验证

首先对多裂隙岩体的损伤加以定义，在建立裂纹扩展时产生等效次生裂纹模型的基础上，对多裂隙岩体受荷后发生断裂损伤时其演化方程进行探讨，最后通过大型岩体相似模型试验对理论计算结果分析验证，理论计算与试验结果吻合较好。     

单裂隙面渗流特性及等效水力隙宽

首先讨论了描述单裂隙面几何特性的两个最基本参数——隙宽和粗糙性的确定方法,系统地总结和分析了现有有关单裂隙面渗流特性方面的研究成果,并对不同粗糙性描述下的裂隙等效水力隙宽的确定问题进行了探讨,提出了自已的看法,并指出进一步要解决的问题。     

岩石裂纹水力劈裂分析与临界水压计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水或高压隧洞洞周岩体开裂渗漏的重要因素之一,对其破坏机理研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合断裂及压剪复合断裂。应用工程近似裂纹失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当压剪断裂参数与裂纹面间摩擦系数之差大于零时,其规律性与拉剪复合断裂模式基本一致;但当其差值小于零时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。     

Investigation of hydraulic fracturing operation and fracture propagation simulation in reservoir rock

For many decades most oil wells in Iran have produced using their natural flow potential and haven’t needed to be fractured. As time goes by, the reservoir pressure depletes and the need for hydraulic fracturing as a stimulation practice arises. Nonetheless there is no record of successful hydraulic fracturing in Iran.

The Bangestan reservoir with a suitable amount of oil in place and good rock reservoirs, has been selected for the present research work. In this work, the in situ stress profile was calculated by using the available petrophysical data. This is achieved by using poroelastic theory for the stresses, and the Mohr–Coulomb criterion to predict failure. The model leads to easily computed expressions for calculating the pressure required to maintain hydraulic fracturing. Then the appropriate depth for treatment was determined. The results indicate that Ilam and Sarvak formations could be good candidates for hydraulic fracturing. Then, for two layers, a hydraulic fracture was designed and the production was predicted and the Net Present Value (NPV) resulting from the fracture of both layers was investigated.     

洞周岩体内裂纹水力劈裂临界水压分析计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。     

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。     

Simulation of hydraulic fracture propagation near a natural fracture using virtual multidimensional internal bonds

A virtual multidimensional internal bond (VMIB) model developed to simulate the propagation of hydraulic fractures using the finite‐element method is formulated within the framework of the virtual internal bond theory (VIB) that considers a solid as randomized material particles in the micro scale, and derives the macro constitutive relation from the cohesive law between the material particles with an implicit fracture criterion. Hydraulic pressure is applied using a new scheme that enables simulation of hydraulically driven cracks. When the model is applied to study hydraulic fracture propagation in the presence of a natural fracture, the results show the method to be very effective. It shows that although the in situ stress ratio is the dominant factor governing the propagation direction, a natural fault can also strongly influence the hydraulic fracture behavior. This influence is conditioned by the shear stiffness of the fault and the distance to the original hydraulic fracture. The model results show that when the fault is strong in shear, its impact on hydraulic fracture trajectory is weak and the hydraulic fracture will likely penetrate the fault. For a weak fault, however, the fracture tends to be arrested at the natural fault. The distance between the fault and the hydraulic fracture is also important; the fault influence increases with decreasing distance. The VMIB does not require selection of a fracture criterion and remeshing when the fracture propagates. Therefore, it is advantageous for modeling fracture initiation and propagation in naturally fractured rock. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。