基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

液动潜孔锤用于干热岩钻进的优化与试验

我国目前能源结构对化石燃料依赖度过高,在全球能源转型的大环境下,作为一种新型清洁能源,干热岩具有储量巨大、资源丰富、分布广泛等优势。针对干热岩勘探开发中高温硬岩钻进的技术难点,对YZX178型液动潜孔锤进行了结构优化,并在某干热岩井中进行了试验应用。试验结果证实了YZX178型液动潜孔锤用于干热岩等坚硬地层进行冲击回转钻进的可行性和高效性,获得了与螺杆钻具接近的机械钻速,且具有节能环保、安全性高、维护方便、节约成本、高温适应性强等优势,但仍需进一步解决其工作寿命与牙轮钻头相匹配的问题。     

红层泥质胶结物干缩裂缝深度与间距预测模型

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理论研究具有重要意义。基于线弹性断裂力学及非饱和土力学,建立了考虑含水率变化的红层泥质胶结物裂缝深度及间距计算公式,并对公式参数敏感性进行了分析。应用CT试验数据对PFC2D数值模型进行了校准,并基于干缩开裂数值试验结果,对裂缝深度及间距计算公式进行了对比验证。结果表明：提出的计算公式能较好地预测红层泥质胶结物的开裂深度及间距,裂缝深度随含水率减小呈先快速增加再缓慢增长的特点。研究成果有助于加深对红层泥岩崩解的量化理论分析,并为预测工程中红层泥岩的开裂程度提供参考。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

层状边坡倾倒变形多级折断面分布深度计算模型

针对反倾层状岩质斜坡倾倒变形折断面空间展布缺乏定量判断的问题,以地质原型和变形机制分析为基础,考虑岩层自重、上覆岩层盖重、侧向压力、岩层间的摩擦力等作用,提出了岩板倾倒折断的独立悬臂梁模型和独立简支梁模型。采用板梁的最大拉应力破坏准则,推导出了倾倒变形各阶段岩层的临界折断深度公式。利用地质原型对推导的公式进行了验证,并通过离心试验获取了倾倒变形各阶段的坡形参数,对边坡各阶段折断深度进行了定量评价。研究表明：理论模型可计算倾倒变形层间剪切错动、弱倾倒破坏、强倾倒破坏等各阶段岩层的折断长度;岩层折断长度与岩层分布高程、拉应力、岩梁自身重度呈负相关,与岩层内摩擦角、岩层厚度、抗拉强度呈正相关;根据倾倒变形各阶段力学参数,计算倾倒体各级折断面分布位置,结果与地质原型和离心试验结果吻合。该研究成果对倾倒变形边坡稳定性评价具有一定的理论和实际意义。     

Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃北大核心CSCD

In order to study the effect of freeze-thaw cycles on the type I fracture toughness of granite under ultra-low temperature conditions,semi-circular bending（SCB）specimens were used in this study,and different freeze-thaw times（1,2 and 3 times）were selected. The granite in the natural state was treated with -160 ℃ ultra-low temperature freeze-thaw cycles,and the three-point bending test was carried out on the granite after the freeze-thaw cycle. and microstructure effects. The results show that with the increase of freeze-thaw cycles,the localized damage of I-type crack tip of granite is intensified,the fracture toughness is decreased,the number of microcracks and pores in the rock is increased,the length of cracks is increased,and the pore size is increased. Finally,the changes of rock frost heaving force and fracture toughness under low temperature and ultra-low temperature conditions are compared and analyzed. Compared with low temperature conditions,the frost heaving force produced by ultra-low temperature freezing and thawing is larger. When fracture toughness decreases by approximately the same amplitude,rocks need more cycles of freezing and thawing at low temperature. The research results can provide theoretical reference for underground storage of liquefied natural gas（LNG）in ultra-low temperature environment. © 2022 Science Press (China).     

液动旋冲工具在徐深1-平3井中的应用

为提高庆深气田水平井钻井速度,缩短钻井周期,降低钻井投资,在徐深1-平3井三开进行了旋冲钻井试验。通过分析钻具组合强度,结合不同尺寸液动旋冲工具特点,制定提速技术方案,优选钻井参数并进行现场试验。经验证,液动钻井在徐家围子深层直井段提速效果明显。试验从分析新钻具组合强度是否满足钻进需求,防止应力集中造成钻具疲劳破坏入手。根据大庆ZJ50D型钻机一般泵压≯25 MPa的实际情况,利用液动旋冲工具泵压-排量回推公式,优化钻井参数。基于参数优选结果制定针对性施工措施,确保φ279 mm型液动旋冲工具现场试验成功。     

XDQ-1200型全液压轻型岩心钻机电液控制系统设计与应用

XDQ-1200型全液压轻型岩心钻机采用了电液比例控制技术,具有自动化水平高、效率高、易操作、可靠性高等优点。简要介绍了该钻机的性能特点,重点阐述了动力头回转、给进系统的液压控制原理和钻机的整体电气原理设计。生产试验表明,钻机运行良好,工作稳定,进尺速度快,操作简单,功能先进,自动化程度高。