Numerical modeling of fluid‐driven fractures in cohesive poroelastoplastic continuum

In this article, we investigate the main parameters that influence the propagation of a fluid‐driven fracture in a poroelastoplastic continuum. These parameters include the cohesive zone, the stress anisotropy, and the pore pressure field. The fracture is driven in a permeable porous domain that corresponds to weak formation by pumping of an incompressible viscous fluid at the fracture inlet under plane strain conditions. Rock deformation is modeled with the Mohr–Coulomb yield criterion with associative flow rule. Fluid flow in the fracture is modeled by the lubrication theory. The movement of the pore fluid in the surrounding medium is assumed to obey the Darcy law and is of the same nature as the fracturing fluid. The cohesive zone approach is used as the fracture propagation criterion. The problem is modeled numerically with the finite element method to obtain the solution for the fracture length, the fracture opening, and the propagation pressure as a function of the time and distance from the pumping inlet. It is demonstrated that the plastic yielding that is associated with the rock dilation in an elastoplastic saturated porous continuum is significantly affected by the cohesive zone characteristics, the stress anisotropy, and the pore pressure field. These influences result in larger fracture profiles and propagation pressures due to the larger plastic zones that are developing during the fracture propagation. Furthermore, it is also found that the diffusion process that is a major mechanism in hydraulic fracture operations influences further the obtained results on the fracture dimensions, plastic yielding, and fluid pressures. These findings may explain partially the discrepancies in net pressures between field measurements and conventional model predictions. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

青海木里煤田永久冻土地层钻探技术研究

木里煤田属高寒缺氧地区,冻土（岩）层在钻进中遇热融解、融化,从而使孔内出现大范围的坍塌,造成卡钻、埋钻事故频发,给钻探施工及岩煤心采取带来很大的困难。从钻孔结构设计、钻具选择、低温冲洗液配置等方面进行深入研究,总结出来了一套适用于木里煤田永久冻土地层的钻探技术。应用表明,该项技术将钻月效率从2004年的224m,提高到2006年的424.5m,效果显著。     

时空多点连续定向取心技术应用研究

为解决以往定向仪不抗振、岩样采取率不高等问题，利用时间与钻孔空间位置对应的关系，研制成功了KD型定向仪。详细介绍了该定向仪的基本构成、技术参数及现场应用情况。     

基于粒径分维值检验的松散介质渗透系数空间估值——以河北平原为例

为了克服松散含水介质非均质性各向异性对介质渗透系数的求取所带来的困难,以水动力条件为线索,利用互相关法寻找同一时代地层及同一时代地表水的主、次流方向.在主流方向上,建立了石家庄-束鹿-衡水段介质颗粒粒径随距离递变的数学模型,并以此为基础推求无钻孔地段的粒径.同时,运用分形理论,计算了中、上更新统地层主流方向平均粒径空间分布的分维值,并将其作为检验粒径估值正确与否的判据.通过不同岩性的渗透系数-深度模型,实现了用平均粒径预测渗透系数的全过程.     

泄滩滑坡碎块石土饱和与非饱和水力学参数的现场试验研究

碎块石土由于块石含量较高,块石粒径较大,其水力学参数的确定具有一定困难。首先,采用双套环法对三峡库区泄滩滑坡的滑体碎块石土饱和渗透系数进行了原位试验,并根据土层孔隙率、颗粒级配等因素采用相关经验公式对试验结果进行了分析。其次,结合使用张力计和体积含水率仪对其土水特征曲线进行了现场模拟试验,并采用Fredlund模型对试验结果进行了拟合分析。最后,根据土水特征曲线和饱和渗透系数,采用经验公式估算了其非饱和渗透系数。试验及分析表明,该滑坡的碎块石土层的饱和渗透系数为(1.78～3.2)×10-2 cm/s,为强渗透性;材料的细颗粒含量越少,有效粒径及控制粒径越大,不均匀系数越小,相应的渗透系数越大。相关研究成果可以为泄滩滑坡非饱和非稳定渗透计算提供参数依据,并对同类型土体非饱和水力学参数的确定具有一定的借鉴意义。     

土石坝心墙水力劈裂机制研究

心墙的水力劈裂问题是土质心墙坝建设中亟需解决但尚未很好解决的重要岩土工程问题。从心墙受力变形方面探讨了水力劈裂发生、发展的机制。研究认为：水库蓄水初期是水力劈裂的危险期;完全均质的心墙内不会发生水力劈裂;“裂缝或局部的缺陷”及“迅速蓄水的初期”是土石坝心墙发生水力劈裂的两个重要条件,水力劈裂发生的根本原因是局部高水力梯度的存在。最后,对上述机制进行了简单的试验验证。为进一步研究水力劈裂发生的判定、水力劈裂计算模拟指出了研究方向与思路。     

不同压裂介质影响下绝对应力测值的试验研究

为研究不同压裂介质影响下的绝对应力测值,利用大尺寸真三轴模拟水压致裂试验系统,用清水及密度分别为1.1、1.2、1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对400 mm×400 mm×400 mm的花岗岩试样进行了水压致裂室内试验,成功获取了连续的压力-时间曲线。利用6种方法识别压力-时间曲线的闭合压力点,与实加最小水平主应力（ 5 MPa）对比,得出单切线等4种方法较为符合实际情况;在考虑试验系统柔度影响前提下,对比了实测和理论重张压力;最后分析了在持续泵压作用下岩石裂缝延伸的压力。试验结果表明,密度为1.1、1.2 g/cm3的泥浆介质对压力特征参数的取值影响较小,误差不超过1 MPa,但密度为1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对特征参数值影响很大。试验结果对水压致裂地应力测量技术在不同压裂介质影响下的适用性有重要的指导意义。     

离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模

流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体，并不一定适用于裂隙岩体，由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大。若流体渗流主要受裂隙的控制，对于一定尺寸的裂隙岩体，多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。离散裂隙渗流方法不但可直接用于模拟裂隙岩体非均质性和各向异性等渗流特征，而且可用其确定所研究的裂隙岩体典型单元体及其水力传导（渗透）张量大小。主要讨论了以下问题：（1）饱和裂隙介质中一般的离散流体渗流模拟；（2）裂隙岩体中的REV（典型单元体）及其水力传导（渗透）张量的确定；（3）利用离散裂隙网络流体渗流模型研究裂隙方向几何参数对水力传导系数和REV的影响；（4）在二维和三维离散裂隙流体渗流模型中对区域大裂隙和局部小裂隙的处理方法。调查结果显示离散裂隙流体渗流数学模型可用来评价不同尺度上的裂隙岩体的水力特征，以及裂隙方向对裂隙化岩体的水力特征有着不可忽视的影响。同时，局部小裂隙、区域大裂隙应当区别对待，以便据其所起的作用及水力特征，建立裂隙化岩体相应的流体渗流模型。     

保德区块中低阶煤层压裂施工砂堵原因分析及技术对策

针对保德区块中低阶煤储层压裂过程中容易出现砂堵影响储层改造效果的问题,根据研究区块的地质条件,结合水力压裂时裂缝在煤层中的扩展规律,分析了保德区块煤层水力压裂出现砂堵的4类主要原因,分别为煤储层裂隙相对发育造成压裂液滤失量增加、压裂沟通高渗透性的顶底板、煤储层本身有效厚度大滤失量增大及多层合压造缝不充分。在此基础上,提出了相应的技术对策,使用清洁压裂液、适当提高并稳定施工排量及优化压裂施工设计,为现场的水力压裂施工和提高煤储层改造效果提供重要指导。     

吹填砂场地强夯振动特性研究及安全评估

针对曹妃甸工业园区液化天然气储罐地基加固过程中所引起的地面振动进行了深入研究,通过对现场强夯振动观测记录进行统计分析、频域分析以及规律拟合,给出了吹填砂场地上强夯所引起的地面振动衰减规律、振幅（振速）随夯击次数的变化规律以及强夯振动的主频变化规律,并就场地周围已存的海堤工程和天然气储罐工程进行了振动安全评估,为现场强夯施工参数的选取提供了理论支撑,同时也弥补了国内对于类似场地振动特性研究不足的局面。