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。     

压裂过程中地面和井下倾斜场的主控因素研究

水力压裂技术改造储层已经成为非常规油气开发的重要技术手段,以井下测斜仪为代表的远场测量技术进行裂缝形态监测已经逐步应用于压后裂缝效果评价。采用不同的裂缝分析模型对压裂过程中地面和井下倾斜场进行了正演研究,验证了模型的正确性,并采用矩形张裂缝模型对影响压裂倾斜场的地层和裂缝参数进行了定量分析。研究表明,（1）地面倾斜场对于裂缝的方位角和倾角变化较为敏感,对于裂缝的尺寸及裂缝中心深度变化不敏感;（2）井下倾斜场值对于裂缝的尺寸、裂缝中心深度变化较为敏感,对于裂缝的方位角及倾角变化不敏感。研究结果可应用于储层水力压裂优化设计中。     

新集试验区水力压裂裂缝监测技术

通过分析对比目前国内外常用的水力压裂裂缝监测手段,结合新集试验区的水力压裂裂缝监测总结,提出用温度对比测井方法监测缝高,用充电电位梯度法监测裂缝方位和长度,为今后该地区乃至其他地区进行水力压裂提供了可供参考的裂缝监测手段。      

钻孔瞬变电磁探测在水力压裂效果检测中的应用

水力压裂技术广泛应用在矿井冲击地压防治、围岩卸压等各方面，但对于压裂效果的评价检测一直缺乏高效、直观的技术手段。为解决这一问题，采用动源动接收的钻孔瞬变电磁三分量探测方法，开发了一套适用于压裂孔内施工的探测装备以及配套施工工艺。在煤矿井下开展了2次工程试验，通过对比压裂前后2次探测数据垂直分量的处理结果，提取出纯异常场，确定主要裂缝分布范围，并根据2组水平分量的计算结果实现了异常体中心方位角定位，完成压裂裂缝的立体空间三维成像展示。研究表明:钻孔瞬变电磁三分量探测技术能够与煤矿井下压裂施工相结合，通过压裂前后探测结果对比获得压裂液的分布位置，进而分析压裂裂缝发育情况，实现压裂效果检测评价的目的。      

井地地震CT技术及其应用

井地地震是在井间地震方法基础上提出,其技术核心主要是观测系统设计以及数据的采集和处理。观测系统设计旨在增加探测目标的覆盖次数、均匀程度和提高工作效率;数据采集从震源和检波器两个方面优化,选用激发能量强、频率高、成本低、效率高的震源,以及灵敏度高、抗噪能力好的检波器;数据处理分为拾取初至、建立正演模型和反演层析成像。工程应用实例说明,井地地震具有很好的应用前景。      

煤层气压裂施工压力与裂缝形态简析

根据煤层气试验井的施工资料，分析了煤层压裂施工压力的特点以及井深、Ro与破压梯度的关系，并根据裂缝监测（测井温法、大地电位法和微地震法）测量的裂缝方位和缝高，对煤层压裂形成的裂缝特点进行了分类和总结，提出了指导性的建议。     

华北地区煤层气井压裂裂缝监测及其扩展规律

介绍了井温测试法、放射性同位素法、大地电位测试法和微地震测试法监测煤层水力压裂裂缝的基本原理。使用上述4种方法对华北地区施工的煤层气井压裂裂缝进行测量,得到了大量压裂井的裂缝方位和高度的监测数据。通过统计分析发现:压裂后的煤层裂缝一般都穿越其上下隔层,最大裂缝高度是压裂层厚度的6倍,裂缝长度大部分为50~90 m,裂缝形状基本以垂直裂缝为主,裂缝方向存在着随机性,扩展方向受地应力、局部地层构造和煤层割理共同作用。      

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。     

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。     

基于FEMM-Fracflow研究缝洞型油藏中裂缝扩展问题

在缝洞型油藏中,水力裂缝的偏转路径对石油的开采量有重要的影响。Hybrid Finite-element and Mesh-free Method-Fracflow（FEMM-Fracflow）数值模拟平台,通过数值实验,文章分析了缝洞型油藏中自然溶洞、水平地应力以及注水流速三种因素对水力裂缝偏转路径的影响。结果表明,在存在溶洞时,裂缝明显向溶洞方向偏转;在改变水平围压时,不施加水平围压条件下,裂缝明显偏向溶洞方向扩展,并且最终与溶洞连通;而在施加50 MPa水平围压时,水力裂缝偏向溶洞的趋势明显减弱;在改变流速时,当流速为0.05 kg/s,裂缝明显向溶洞方向偏转,而当流速为0.2 kg/s,裂缝向溶洞方向偏转的趋势则减弱。      

冲击地压预测和防治

冲击地压严重威胁煤矿生产安全,发生时生产设施遭到破坏,甚至造成人员伤亡。我国是冲击地压最严重的国家之一。针对国内外冲击地压的现状,阐述了国内外冲击地压及其预测、防治的情况,对现有主要的预测技术进行了分析,指出使用电磁脉冲进行预测和水力钻孔割缝进行防治具有的特点。钻屑法是一种简便易行的预测方法,电磁辐射、电脉冲、声发射等也可用于冲击地压的预测。冲击地压防治技术主要有开采解放层、煤层注水、爆破卸压、钻孔卸压等,水力钻孔割缝是一种有待研究的新方法。     

基于不同地质统计方法的渗透系数场对污染物运移的影响

渗透系数场的空间变异性是影响污染物运移结果的决定因素,而地质统计方法是解决渗透系数空间变异性的主要技术手段。本文利用野外场地实测数据,采用普通克里格法和指示克里格法、顺序高斯模拟法和顺序指示模拟法四种地质统计方法,插值估测和模拟再现随机渗透系数场,进而对比研究四种渗透系数场对大尺度污染物运移的影响。研究结果表明,污染羽的质心位置（一阶矩）主要由渗透系数的平均值来决定;污染羽在空间上的展布范围（二阶矩）主要受渗透系数空间变异方差的影响;条件模拟克服了估计法的平滑效果,较好地再现真实曲线的波动性,渗透系数（ lnK）估计方差与污染羽空间二阶矩随着条件模拟次数的增加而减小,并且顺序指示模拟程度更加明显。     

广西北部湾人造陆域吹填土电冲击特性研究

吹填土陆域的固有特性是造成其频受雷击的重要因素之一。针对广西北部湾吹填土的电冲击特性,结合理论分析、室内试验和数值模拟的方法对其展开研究,探究其与外电场的响应规律。首先从Archie电阻率模型理论出发,结合土体的介电常数公式,提出了吹填土的电冲击模型,认为影响其与外电场之间的响应规律的主要因素是干密度、含水率和含盐量。电冲击试验表明,吹填土击穿场强随含水率对数和干密度对数的升高呈线性降低,随含盐量的升高呈指数降低。再结合数值模拟结果发现,含水率、干密度和含盐量越高,吹填土内部场强越大,受冲击电场作用越显著,对外电场的响应越强烈,其中又以含水率和含盐量的影响为主。     

油压夯管技术及油压夯管设备的研究

在阐述油压夯管技术及特点的基础上,说明了油压夯管锤结构及工作原理,建立了油压夯管锤数学模型,进行了较深入的内部工作华而不实结构参数的优选,介绍了油压夯管设备的研制内容及过程。     

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。     

水平井压裂储层应力场分布模拟方法

在研究分析水力压裂对储层岩石力学特性参数影响的基础上,提出一种压力储层应力场分布模拟计算方法。通过建立水平井储层原地应力场模型和水力压裂产生人工裂缝诱导应力场模型,并且利用实际的水力压裂测井参数对储层原地应力场和压裂产生裂缝诱导应力场分布进行了模拟计算。模拟计算结果表明,压裂产生人工裂缝会对储层应力场分布造成很大影响;压裂后储层应力主要在裂缝周围得到积累,并且距离裂缝越远,应力值积累越少;压裂生成裂缝长度也会影响储层应力场分布,裂缝越长,裂缝诱导应力场减小越慢。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

混合型缓冲材料砌块渗透性及其各向异性研究

缓冲材料砌块具备良好的防渗性能,是保证高放废物处置库封闭性的关键。缓冲材料砌块经单轴加载挤压成型,块体尺寸大,测试与评价其渗透性能的均匀性和各向异性,对缓冲屏障设计具有重要价值。研究制备不同干密度的混合型缓冲材料砌块,定向切割获得砌块内部不同位置、不同方向的小试样,开展刚性壁和柔性壁渗透试验,综合评价了混合型缓冲砌块不同方向的水力传导系数。研究结果表明：砌块干密度越大,砌块的水力传导系数越低。所有砌块的水力传导系数均处于10?10 cm/s数量级,沿砌块z、?、r方向的水力传导系数基本相等,表明砌块渗透性具有良好的均匀性和各向同性,且满足高放缓冲材料防渗要求。两种试验方法获得的渗透结果差异较小,柔性壁渗透条件下砌块产生10%～20%的体积膨胀,导致其水力传导系数略大于刚性壁下的平行试样。引入CT试验,分析了渗透前后砌块的微观特性变化。试验证实,在饱和渗透之后,以CT值显示的砌块密度分布趋于均匀,砌块内部存在的微裂隙愈合消失。     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。      

基于随机配点法的地下水污染风险评价

地下水污染事件难以被直接观测,其发生环境通常也具有多种不确定性,风险评价可以量化地下水污染事件的危害性。利用随机配点模型和多项式抽样技术,建立了高效的风险评价模型;考虑了渗透系数、孔隙率和弥散度等多种不确定性因子,探讨了复杂条件下的风险函数的分布特征。研究结果表明:基于随机配点法的风险评价模型避免了多次重复求解对流弥散方程,通过计算成本低廉的随机配点技术得到浓度随机场的拉格朗日多项式,进行多项式抽样获取浓度样本并得到风险函数;与传统的解析算法相比,该方法无需对输入参数和浓度的分布形态做出假设;与传统的蒙特卡罗(Monte Carlo)算法相比,该模型具有明显的效率优势和优越的收敛速度;输入参数的分布类型对风险分布产生显著影响。