单孔三维地应力测试原理及其应用

近些年水压致裂原生裂隙地应力测试理论和实践得到了一定的发展。本文详细介绍了水压致裂单孔三维地应力测试的基本原理,阐述了在钻孔内选择2条以上原生裂隙段进行重张试验的测量,或者在完整岩体水压致裂测试的基础上,结合2条或2条以上原生裂隙段进行重张试验的测量,就可确定岩体的三维地应力状态;并将该方法应用到了某国外水电站调压井部位的钻孔应力测试中,较为准确的确定了该工程区域的三维应力状态。该方法原理清晰,操作简单经济,具有较为广泛的工程应用前景。     

考虑卸荷作用的底板突水破坏机制研究

在依据摩尔图解及断裂力学理论对底板卸荷突水破坏分析的基础上,运用损伤断裂力学并结合统一强度理论,建立了考虑渗透水压作用下分支裂纹端部形成的塑性区范围计算方程与岩体发生贯穿破坏时的损伤阀值。将裂纹扩展过程与岩体损伤耦合起来,确定了裂纹的损伤断裂能量计算公式并分析了其影响因素。结果表明：侧压系数 0.5时,最大主应力完全卸荷状态下裂纹端部应力强度因子比双轴应力状态下大,岩体易发生破坏。考虑了裂纹端部塑性区的影响,裂纹损伤断裂能量相比于不考虑其影响时偏大,增大了煤层底板突水的危险性。裂纹损伤断裂能量 与裂纹半长 、裂纹面连通面积与总面积之比 、裂纹面渗透水压 及最小主应力 呈正相关,与裂纹面摩擦系数 及岩体的弹性模量 呈负相关。分析结果为底板突水破坏机制研究提供了一定的参考依据。     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

岩层阻水性能与其结构成分、组合形式的关系

根据室内水力压裂试验的结果,通过分析裂痕端部应力强度因子的变化情况,研究了不同结构成分岩层的各自阻抗水压致裂的能力,分析了岩性变化、交界面性质对水压致裂裂隙扩展的影响,提出了阻抗水压致裂裂隙扩展和防止承压水导升的较优岩层组合形式。      

用于煤层底板突水机理研究的岩体原位测试技术

底板突水是底板受采动应力和承压水水压共同作用的结果。开拓和采动打破了原有地应力的平衡状态,为达到新的平衡,某些应力相对集中的地方,会释放应变能,使岩体构造发生变化;而承压水的水压对底板隔水层的作用主要是压裂扩容作用与渗水软化作用。本文介绍了由岩体原位应力测试技术、室内三轴渗透仪测定技术和计算机有限元模拟技术组成的岩体应力测试综合技术及其在煤层底板突水预测中的应用。      

水压致裂测试技术的发展与应用

水压致裂技术作为原地应力测量普遍采用的一种方法,近年来得到了长足发展。原本该方法只能进行水平主应力的测量,现已发展为广泛应用的三维原地应力测量方法。尤其是在诸如抽水蓄能电站的高压输水隧洞、气垫调压室等承压洞室工程中,在工程利用深度域的各种岩性结构层段上,采用水压致裂技术进行梯级增压测试,便可给出围岩自身承载能力的评价结果,由此为工程的科学设计提供可靠的依据。同时,由于岩体透水性是工程地质不可或缺的一项勘测内容,而低压下不透水的岩层在高压力作用下往往漏水,因此采用水压致裂技术进行高压压水测试,就可以给出工程运行条件下岩体透水性的可靠测试结果。本文仅就水压致裂测试技术的主要发展及其应用做一简介。     

矿井防治水专家郑纲

<正>郑纲(1968.8-),男,汉族,山东泗水人,工学博士,研究员。现任中煤科工集团西安研究院有限公司水文地质研究所专家。郑纲多年来主要从事水文地质、矿井防治水领域的科研与生产管理工作。在承压水上带压开采技术方面,提出了高承压水上煤田下组煤水文地质勘探的技术理论体系、带压开采分区的综合技术方法,解决了带压开采条件下的矿井涌水量计算方法问题,使涌水量计算的准确度大大提高;深入研究煤矿底板突水的断裂力学效应和岩体水力学效应,确定了用水压致裂技术测定临界应     

水压致裂试验过程中诱发的声发射

为了研究水压致裂过程中裂缝的扩展机制,在北京房山花岗岩体中开展了大型水压致裂试验。试验是在一个深 301 m的岩石新鲜完整的FR钻孔中进行的,其周围半径约40 m的范围内布置了4个120 m深的声发射观测孔。在FR孔中深度60 m至140 m的范围内选取了7段没有天然节理的部位进行了水压致裂。在所有的试验中,发现水压致裂形成的裂缝通过天然节理与AE孔连通,只在深度118.5 m进行的试验,观测到由水压致裂产生的AE事件。由声发射的震源机制解得到的P轴和T轴的方向与水压致裂应力测量的方向一致。     

叙毕铁路斑竹林隧道地应力特征分析

为分析评价斑竹林隧道地应力相关的工程问题,通过采用构造分析法、水压致裂法,分析和实测了隧区地应力特征;并采用临界深度法、强度应力比法、工程类比法对岩爆、大变形进行分级评价,表明隧区属高应力、极高应力区,岩爆等级为轻微;大变形等级为Ⅰ-Ⅱ级。     

叙毕铁路斑竹林隧道地应力特征分析

为分析评价斑竹林隧道地应力相关的工程问题,通过采用构造分析法、水压致裂法,分析和实测了隧区地应力特征;并采用临界深度法、强度应力比法、工程类比法对岩爆、大变形进行分级评价,表明隧区属高应力、极高应力区,岩爆等级为轻微;大变形等级为Ⅰ-Ⅱ级。     

软煤储层顶板水平井穿层工况下压裂缝扩展模型

为了探索煤层顶板中水平井向目标层穿层压裂的裂缝扩展规律,以华北石炭-二叠纪煤田为例,运用断裂力学、损伤力学以及流体力学等经典理论并结合现场实测资料,开展了压裂缝延伸距离与压裂时间时空演化规律的建模与验证。首先,基于原生裂缝特性、渗透特性以及压裂射孔段附加应力等因素,提出了顶板水平井垂向造缝的起裂压力计算公式;其次,在考虑裂缝性煤岩体损伤效应的基础上,引入Dougill损伤因子,将该计算模型拓展为延伸压力计算模型;最后,基于改进的经典PKN裂缝模型和压裂液滤失理论,建立了连续穿层工况下压裂缝延伸距离与压裂施工时间的函数关系。实践验证表明,根据理论模型合理调配时间参数,可以控制穿层裂缝的延伸距离。      

基于损伤力学分析的水力压裂三维裂缝形态研究

水力压裂三维裂缝形态及延伸的预测是评价水力压裂效果的主要因素,采用了损伤力学与断裂力学相结合的方法,描述了裂缝表面岩体的力学行为,建立了裂缝面上的损伤判据与损伤演化方程。根据岩石力学与渗流力学,采用有限元方法建立了低渗透储层岩体的流固-损伤耦合方程,并采用Newton-Raphson与线性搜索相结合的方法进行求解,获得了低渗透油层水力压裂三维裂缝的动态扩展过程及最终形态,揭示其力学本质。通过算例验证了理论及计算方法的正确性。在此基础上,分析了影响裂缝扩展的主要因素,其结果可为水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,以提高油层水力压裂措施的成功率     

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。     

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。     

基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

煤层气井水力压裂同层多裂缝分析

多裂缝理论是水力压裂理论的前沿理论,特别是对裂隙发育、物理力学性质有别于均质砂岩的煤岩,其研究难度较大,面临问题很多。根据弹性力学、岩石力学、断裂力学和流体力学等学科基本理论,结合多裂缝理论与井底压力协同理论,对在天然裂隙发育的煤层同时开启的多裂缝模型进行了分析与计算。结果显示,综合滤失系数、流量、主应力差等均不同程度影响了多裂缝在近井筒区域的汇合相连概率与延伸方向。      

二氧化碳在砂岩透镜体中充注封存的盖层岩石抗断裂性能分析

把CO2这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行封存和隔离,已被公认为是有效减少CO2排放量的一种比较安全的技术途径。砂岩透镜体油气藏具有良好的圈闭构造和储层物性,油气濒临枯竭的砂岩透镜体是较理想的CO2地质封存箱。基于币形裂纹模型和水力致裂原理,将纵向厚度和横向展布长度均远小于盖层岩石尺度的水平产状砂岩透镜体简化为盖层岩石中的I型币形裂纹,从岩石断裂力学角度分析封存箱盖层岩石的抗断裂性能。采用叠加原理给出了盖层岩石币形裂纹尖端(砂岩透镜体尖灭部位)应力强度因子的计算公式,在此基础上提出了断裂力学判别准则(K=KIC)和临界有效压应力判别准则(P=PC),从岩石断裂力学角度为砂岩透镜体封存箱盖层岩石抗断裂性能分析和评价提供了一种新的研究思路。     

不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律

查明不同煤体结构煤水力压裂时裂缝延伸规律能为合理井网部署奠定基础。以沁水盆地柿庄区块为研究对象,对钻井煤心裂隙进行观测,划分出4种裂隙发育程度煤。基于岩体力学理论,建立了水力压裂过程中裂缝尖端应力场计算模型和水力裂缝能否穿过天然裂隙的判断准则。根据煤层气井实测资料,验证了理论分析的可靠性,得出了不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律。结果表明:考虑诱导应力前后,2组天然裂隙发育煤的水力裂缝延伸规律不同,随着缝长增加,诱导应力随之增大,水力裂缝单一延伸方向变为双向延伸;1组天然裂隙发育煤的发育方向与最大主应力方向夹角较小,导致考虑诱导应力前后水力裂缝的延伸方向变化不明显,整体延伸趋于天然裂隙发育方向;在粒状偶见及粉状无裂隙发育煤中,水力裂缝总是沿着最大主应力方向延伸。研究成果为该区不同应力和裂隙发育下井网合理布置提供了理论依据。      

Life-time prediction for rocks under static compressive and tensile loads: a new simulation approach

The life time or time to failure of rocks under load is governed by microstructural defects, like microcracks, voids etc. The life time can be predicted either by empirical exponential laws or physical laws based on damage and fracture mechanics. The proposed numerical model is based on subcritical crack growth using the linear elastic fracture mechanical approach and is implemented as a numerical cellular automate. The algorithm considers both tensile and shear fracturing. Each cell contains a microcrack of random length according to a given probability function. Fracture growth is controlled by the Charles equation. Macroscopic cracks are the results of the coalescence of growing microcracks. Within the numerical approach elasto-plastic stress redistributions take place. If the stress intensity factors have reached the critical values or the microcrack has reached the zone dimension, the zone is considered as fractured and residual strength values are assigned. The proposed approach was applied to rock samples under uniaxial compressive and tensile loads (creep tests). Successful results were obtained in respect to the predicted life time, damage evolution and the fracture pattern. Conclusions for further improvements and extensions of this methodology were drawn.     

危岩应力强度因子的计算研究

危岩崩塌是山区主要地质灾害之一,其主控结构面的断裂失稳是导致危岩崩塌的根本原因。运用线弹性断裂力学的理论,引入应力集中系数法,建立了自重作用下的危岩应力强度因子的计算公式,可用于主控结构面与裂缝共线的危岩稳定性计算。同时还推导了基于ABAQUS 的J积分、位移外推法计算危岩应力强度因子的过程。通过实例表明,2种数值计算方法与解析结果十分接近,验证了ABAQUS计算危岩应力强度因子的合理性,最后模拟了危岩裂缝角度以及临空面宽度变化对危岩应力强度因子的影响。利用ABAQUS对危岩进行分析,并绘制应力强度因子在各因素影响下的趋势图,可以推测危岩失稳的临界条件。