考虑应力敏感性的煤层气井排采特征

与裂缝性砂岩气藏相比,煤层气藏是一种具有阶段性应力敏感特征的特殊裂缝性气藏。在煤层气排采初期, 有效水平应力起主导作用, 随着有效应力的增大,渗透率逐渐减小;当割理内部流体压力降低到解吸压力之后, 由于基质收缩,渗透率可得到一定程度恢复。所以,提高煤层气排采效果的重要举措,是尽可能提高煤层气压降-解吸的面积。在煤层气开采初期,不合理的高排采速率将引起近井地带渗透率降低,影响压降漏斗的传播,造成增排不增产的后果。通过岩心应力敏感实验,得到了岩心渗透率随有效应力的变化规律。以煤层气开采井为例,利用ECLIPSE E300三维双重孔隙介质多组份模拟器,证明了初期排采量并非越大越好,而是存在一个合理值。该结论可用于指导煤层气井的开采。      

Crustal stress field in Yunnan: implication for crust-mantle coupling

We applied the g CAP algorithm to determine239 focal mechanism solutions 3:0 M We 6:0T with records of dense Chin Array stations deployed in Yunnan,and then inverted 686 focal mechanisms(including 447 previous results) for the regional crustal stress field with a damped linear inversion. The results indicate dominantly strike-slip environment in Yunnan as both the maximum(r1) and minimum(r3) principal stress axes are sub-horizontal. We further calculated the horizontal stress orientations(i.e., maximum and minimum horizontal compressive stress axes: S H and S h, respectively) accordingly and found an abrupt change near *26°N. To the north, S H aligns NW-SE to nearly E-W while S h aligns nearly N-S. In contrast, to the south, both S H and S h rotate laterally and show dominantly fan-shaped patterns. The minimum horizontal stress(i.e., maximum strain axis) S h rotates from NW-SE to the west of Tengchong volcano gradually to nearly E-W in west Yunnan, and further toNE-SW in the South China block in the east. The crustal strain field is consistent with the upper mantle strain field indicated by shear-wave splitting observations in Yunnan but not in other regions. Therefore, the crust and upper mantle in Yunnan are coupled and suffering vertically coherent pure-shear deformation in the lithosphere.     

土-偏心结构平扭耦联弹塑性反应参数全过程分析

为了了解在强震作用下偏心结构平扭耦联效应,对土-偏心结构相互作用体系进行了平扭耦联弹塑性反应参数弹塑性分析。本文建立考虑SSI的单层单向偏心结构模型,将地基土假定为弹簧,通过拉格朗日能量法推导了结构体系的动力特性方程,采用静力弹塑性(Pushover)分析方法,利用MATLAB软件编程,分析了土体和结构均由弹性到弹塑性的变化对相互作用体系和上部结构的影响,以及体系由弹性到弹塑性平扭耦联效应的变化过程,发现土体由弹性进入塑性对体系的动力特性影响很大,并且得到了相互作用体系相对振型频率随扭平频率比和偏心率的变化规律。     

定面射孔新工艺对水力裂缝扩展影响研究

定面射孔技术是为了提高体积压裂改造效果而提出的一种新的射孔方案。根据岩石力学及流-固耦合理论,建立了定面射孔地层的三维弹塑性流固-耦合地应力模型,采用数值方法进行求解,结合最大拉应力准则,研究了定面射孔水力裂缝的起裂规律。经过大量计算发现：定面射孔条件下,裂缝首先在射孔面内的射孔眼起裂,然后射孔眼相互贯通而形成扇形裂缝面,增大了水力裂缝的波及体积及井筒的连通性;同一平面内两侧孔眼在中间孔眼上产生的附加应力降低了Y方向主应力而增大了X方向和Z方向主应力,导致正断层采用定面射孔时,起裂压力较大,起裂压力随射孔方位角的增大而降低,只有当射孔方位角大于60°时,定面射孔起裂压力低于螺旋射孔起裂压力;对于逆断层,射孔方位角越小,起裂压力越低,且均低于螺旋射孔起裂压力;减小射孔间夹角、增大射孔直径及深度均可降低起裂压力。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。     

渗透压-应力耦合作用下煤体常规三轴试验的颗粒流模拟

为了研究在渗透压-应力耦合作用下围压和瓦斯压力对煤体变形破坏规律的影响,借助PFC2D软件进行了340组抗压及抗拉试验模拟,建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系。利用平行黏结模型和推导得出的细观参数,对煤体进行了不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴试验的颗粒流模拟,并将模拟结果与物理试验结果进行对比及误差分析,对煤体宏观力学参数的变化规律进行了总结。分析结果表明,经过推导得到的宏细观参数关系,可以控制模拟结果的误差在10%之内,能较好地模拟煤体的力学特征;围压增大时,煤体的抗压强度、残余强度及弹性模量呈增大趋势,泊松比以及煤体的破裂角度变小,与物理试验所得围压对煤体的刚度和强度起增强作用的结论一致;瓦斯压力的升高会导致煤体抗压强度,残余强度及弹性模量减小,泊松比以及煤体破裂角度变大,验证了物理试验中瓦斯压力对煤体强度具有劣化作用的结论。     

随机与确定耦合的裂隙岩体结构面三维网络模拟

离散裂隙随机网络模型中结构面的分布特征仅代表其统计规律,并非地质成因、结构模式、构造形迹的客观反映,以致后续力学计算及渗流模拟结果可信度偏低。针对国家高放废物处置库甘肃北山预选区出露良好的花岗岩体,基于实测结构面统计规律、内在成生关系及水力联系,在前期纯随机模型关键部位修正特征参数,并融入人工辨识的确定结构模式而构建“随机-确定”耦合模型。图形和渗流模拟两种定量检验结果表明：耦合模型结构面数量更接近客观实际,模型准确度提升约48.8%;耦合模型渗流路径与流量较之前更显客观真实,模拟结果与试验数据的接近程度比随机模型大约1/3。另外,不同孔位渗流结果显示：相比于随机结构面,确定性结构面对区域渗流控制作用更加明显,在渗流模拟中扮演更为重要角色。此耦合模型有益于拓宽结构面网络模拟的发展方向。     

大松动圈围岩锚网索联合支护参数确定方法探讨

对大松动圈围岩巷道,单一锚杆支护难以实现对整个破裂区围岩的锚固控制,采用锚网索联合支护时,应考虑锚杆支护对联合支护设计的作用。通过分析大松动圈围岩锚杆锚固支护机制,提出量化锚杆支护作用的锚固承载系数,形成锚网索联合支护参数量化计算方法。研究结果表明：锚杆锚固支护后将大松动圈围岩分为浅层锚固区和深层破裂区,浅层锚固区具有一定承载能力,可视作锚索的等效托盘;在锚网索联合支护中,浅层锚固区承载结构稳定的条件是锚固结构承载力大于环向轴力且能够有效控制破裂区围岩;锚固承载系数大小主要取决于浅层锚固区与破裂区和锚杆预紧力与设计锚固力的关系,对于大松动圈围岩其取值范围为0.45～0.75。经现场试验可知,巷道顶底板移近量为273 mm,两帮移近量为393 mm,表面位移曲线趋于平稳,采用该方法得到的锚网索支护参数有效保证了巷道的正常使用。     

Numerical investigation of the response of the Yele rockfill dam during the 2008 Wenchuan earthquake

In this paper the seismic response of a well-documented Chinese rockfill dam, Yele dam, is simulated and investigated employing the dynamic hydro-mechanically (HM) coupled finite element (FE) method. The objective of the study is to firstly validate the numerical model for static and dynamic analyses of rockfill dams against the unique monitoring data on the Yele dam recorded before and during the Wenchuan earthquake. The initial stress state of the dynamic analysis is reproduced by simulating the geological history of the dam foundation, the dam construction and the reservoir impounding. Subsequently, the predicted seismic response of the Yele dam is analysed, in terms of the deformed shape, crest settlements and acceleration distribution pattern, in order to understand its seismic behaviour, assess its seismic safety and provide indication for the application of any potential reinforcement measures. The results show that the predicted seismic deformation of the Yele dam is in agreement with field observations that suggested that the dam operated safely during the Wenchuan earthquake. Finally, parametric studies are conducted to explore the impact of two factors on the seismic response of rockfill dams, i.e. the permeability of materials comprising the dam body and the vertical ground motion.     

大型地下水封石油洞库施工过程力学特性研究

施工过程对地下工程岩土力学性质具有重要影响。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为背景,运用流-固耦合理论,研究了不同排水条件下大型地下水封石油洞库的施工过程力学特征。研究表明排水条件和开挖顺序对洞库渗流场和稳定性具有重要影响。排水条件下洞库围岩孔隙水压力小于不排水条件下,而同在排水条件下不同开挖顺序洞库孔隙水压力时空分布和涌水量也不相同。排水条件下洞壁围岩松动区范围远小于不排水条件下范围,但两种条件下应力场时空分布规律均与开挖顺序密切相关。排水条件下洞库围岩水平收敛小于拱顶沉降,而不排水条件下洞库围岩水平收敛大于拱顶沉降。在相同排水条件下围岩变形与开挖顺序有关。研究成果不但可以为大型地下水封石油洞库建设提供依据,还可丰富施工过程力学理论内涵。