特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

高温蒸汽作用后油页岩变角剪切特性规律研究

【目的】在注蒸汽原位开采油页岩的过程中,油页岩的抗剪强度对注采井筒和采场的稳定性至关重要,同时岩体的抗剪强度又受温度的影响而变化。研究了不同温度和不同剪切角度下油页岩剪切特性的变化规律。【方法】利用蒸汽发生装置对油页岩进行加热,实验中蒸汽温度分别设置为100、200、300、400和500℃;对蒸汽作用后的油页岩进行变角剪切试验,剪切角度分别为45°、55°和65°.根据试验结果,计算得到油页岩的变角剪切参数和峰值剪切应变,同时对不同温度蒸汽作用后油页岩的剪切破坏特征进行分析。【结果】研究结果表明:1)蒸汽温度小于300℃时,油页岩脆性破坏特征明显,当温度达到400℃和500℃时,油页岩延性破坏特征明显;2)油页岩的内聚力随着蒸汽温度的升高先增大后减小,内摩擦角随着蒸汽温度的升高先减小后增大,抗剪强度随着剪切角度增大而减小;3)油页岩的峰值剪切应变随着蒸汽温度升高而增大,且剪切角的高角度变化对油页岩峰值剪切应变影响显著;4)油页岩的剪切破坏形式随着蒸汽温度的升高由贯穿破坏向组合破坏转变,且次生裂纹增多。

实时高温富有机质页岩变角剪切力学特性及应变场演化研究

原位注热开采富有机质页岩是复杂的固流热化学耦合过程,矿层热解过程中采场和井筒均受到剪切力作用,而高温作用后与实时高温作用下页岩的力学响应规律是截然不同的。为了研究实时高温作用下页岩剪切力学特性和变形演变规律,设计了实时高温岩石变角剪切试验系统,结合声发射和数字图像相关技术,对不同温度和剪切角度下页岩的抗剪强度和变形场分布特征进行了深入研究。研究结果显示:首先,随着温度的升高,页岩表现出由脆性破坏向延性破坏的转化,而抗剪强度随着剪切角度的增大呈减小趋势;然后,页岩的抗剪强度随温度的升高呈现“V”字形变化趋势,400℃后其抗剪强度降至最低(2.93MPa),可将该温度点视为页岩剪切特性的阈值温度;当温度超过400℃时,页岩内部矿物晶格的转变使得其抗剪强度继续增大;最后,常温~600℃范围内页岩在剪切过程中的应变场演化可以分为两个阶段:常温~400℃,页岩在剪切破坏时沿层理结构形成一条明显的应变局部化带,沿着该局部化带发生直接剪切破坏;400~600℃范围内,页岩表现出明显的应变软化特征,沿各层理间发生相互“错位剪切”,不再以沿层理结构直接发生剪切破坏,表现为渐进剪切破坏特征。

油页岩热破裂规律显微CT实验研究

利用太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所最新共同研制的μCT225kVFCB 型高精度(μm级)CT 试验分析系统,对油页岩从常温到600℃高温下的热破裂过程进行了显微观测和分析,揭示了抚顺油页岩的热破裂阈值温度为300℃附近.当温度低于300℃时.已可见到极少数较小的微裂隙出现.裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,形成的破裂面基本上都与层理面互相平行.当温度超过300℃,由于受到热分解化学反应的控制,裂隙的数量、长度和宽度剧烈增加.呈现广泛发育、集中爆发的特点,并使原有裂隙迅速延展和贯通,且裂隙面仍具有与层理面平行的特点,这是油页岩热破裂的典型特征;同时,也形成了许许多多垂直于层理方向的微小裂隙.小裂隙与大裂隙的搭接连通.形成了一个庞大的连通网络结构,从根本上提高了油页岩的渗流能力.

利用原位电法加热技术开发油页岩的物理原理及数值分析

针对目前国内传统地面干馏油页岩技术的缺点，并结合油页岩自身特性，介绍了一种新的油页岩开发技术—原位电法加热开发技术（ICP）。该技术可以解决传统油页岩开发技术在开发过程中高成本、高污染的难题。对油页岩高温热解失重及热破裂特征进行的分析结果表明：在350-500℃时，油页岩具有集中热解的特性，失重质量约占总质量的15％。高温热解后的油页岩会产生大量的孔隙、裂隙，从根本上提高了油页岩的渗透性，孔隙和裂隙的形成为应用ICP技术开采中油气的产出创造了条件。基于ICP开发技术的原理，建立了考虑化学反应热的能量守恒方程，并采用三维有限元法，对油页岩ICP原位电法加热开发过程进行了数值分析，获得了开发过程中温度场随时间的变化规律及地下油页岩热解范围，并计算了ICP技术在小规模开发过程中油气的产量。

煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。

油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.

油页岩热破裂规律分形理论研究

以不同温度下油页岩破裂显微CT图片作为分析对象,将分形的基本理论运用到油页岩的热破裂过程中。研究边长为7.0mm正方体油页岩试件在200℃～600℃范围内热破裂裂隙分布的分形规律,得到不同温度下热裂隙分布的分形维数和分布初值。研究结果表明:不同温度下油页岩内部裂隙的分布具有很强的自相似性,符合分形规律,分形维数为1.0～1.5。建立分形维数、分布初值与温度的关系,从分形理论上研究油页岩的热破裂过程,宏观量化裂隙的分布状况和复杂程度。研究结论对分析油页岩热解过程中"微渗流通道"的发展演化过程具有重要的意义;同时,为从分形的角度探索其他岩石的热破裂过程提供一种新的方法和思路。

原位开采背景下油页岩渗透规律的研究

针对目前地面干馏油页岩技术成本高、环境污染严重的状况,提出对油页岩进行原位注蒸汽开采油气的新技术,利用该技术可实现油页岩低成本、低污染、高效率的开发新模式,成功实施可缓解我国日益紧张的能源危机,降低对进口石油的依存度。并且利用太原理工大学自行研制的MDS-200型三轴渗透实验台测定了干馏后油页岩试件在三维应力下的渗透系数,实验结果表明:在油页岩原位开发过程中,渗透系数随地层体积应力的增加而衰减,随孔隙压的升高而增大。因此,在现场原位注蒸汽工艺实施过程中,可以通过水力压裂,水力爆破和增加蒸汽注入压力的方法来提高地层的渗透性,以此提高油页岩的开发效率。

冻土带天然气水合物稳定性研究

针对全球气候变暖的现状结合青藏高原冻土带下水合物的特点,运用水合物生成相平衡原理,预测了基于0.04℃/a升温梯度背景下的青藏高原冻土带水合物的稳定性。预测结果显示:温室效应导致的温度变化和冻土层剖面压力条件的变化会直接影响水合物的分布和稳定性,造成冻土带水合物的分解释放出大量CH4强烈温室效应气体,从而对高原环境造成直接的负面影响。

酸性环境下高强度油套管钢氢损伤行为研究

目的为合理选择超深含硫气井油套管材质,找到了酸性环境下氢对高强度油套管钢拉伸性能的损伤规律。方法通过电化学充氢实验、MTS拉伸测试及断口微观形貌分析,研究3种高强度钢材的氢损伤行为,首先对材料的基本理化性能进行分析,然后采用恒电流仪进行充氢实验,最后通过MTS拉伸测试和断口形貌分析,判断充氢对钢材的拉伸力学性能的影响。结果充氢后,3种钢材的拉伸力学性能均出现了明显降低,表明3种钢材均发生了塑性损伤,且钢材强度越大,降低幅度越大,表明材料的氢脆敏感性越强,材料的抗氢损伤性能越低。结论采用的高强度钢氢损伤评价方法可为酸性环境下油井管材适用性评价提供技术借鉴。

多孔介质多场耦合作用理论及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应。介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题。较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题。

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。

基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征

利用显微CT技术对重庆市中梁山南矿构造煤的渗流孔进行了精细定量表征。研究发现:构造煤孔隙直径一般小于10μm,但不同类型构造煤的孔隙分布特征有着明显差别。随着构造变形的增强,煤的孔隙数量、面孔隙度逐渐增大。原生-碎裂煤的孔隙以原生孔为主;碎裂煤脆性破坏加剧,角砾孔增加;碎粒煤碎粒孔和微裂隙发育,平均孔径加大;鳞片煤受到强烈剪切作用,煤颗粒在脆性破碎的基础上,同时具有韧性变形特征,包括局部揉皱和粉末状糜棱质,充填部分孔隙,造成平均孔径下降。构造煤孔隙三维建模表明,随着应力作用的增强,构造煤的孔隙度、孔比表面积、孔体积及最大连通孔隙团不断增高。

动力学水合物抑制剂GHI-1在高含硫气田的应用

随着近年来国内外大量高含硫气田的不断开发,如何解决高含硫天然气水合物的形成与堵塞问题引起了科研工作者的极大关注。甲醇、乙二醇等传统热力学抑制剂有毒、药剂用量大,会产生大量酸性污水难于处理,而国内外现有大多数动力学抑制剂对于高含硫酸性天然气水合物形成的抑制效果较差,均不能完全满足防止高含硫天然气水合物形成的需要。为此,介绍了自主研发的新型动力学水合物抑制剂GHI-1及其在某高含硫酸性天然气湿气输送管线中的现场应用情况。现场试验结果表明:动力学抑制剂GHI-1对于高含硫化氢酸性气体的甲烷天然气水合物具有较好的抑制效果,在现场应用条件下(H2S含量为7.34%、CO2含量为1.65%的天然气气质条件,药剂加量为15kg/d,输气量为23×104m3/d,集输压力为7.0MPa,输气温度为8～10.0℃),可使清管周期由加注前的3～5d延长至15d以上,其药剂加量是同样效果乙二醇加量的1/3。

温度对褐煤渗透特性影响的试验研究

采用太原理工大学采矿工艺研究所研制的煤(岩)MDS200三轴渗透试验机,在不同应力、不同温度条件下,对内蒙乌盟矿区褐煤进行热渗透试验研究。研究结果表明:随着煤层埋藏深度的增加,即体积应力的增加,褐煤渗透率总体上是呈下降趋势;在温度和体积应力不变的情况下,褐煤随着孔隙压力的增大,渗透率呈先下降,再增大的趋势,其临界点为2MPa左右;在体积应力和孔隙压力不变的情况下,随着温度的升高(100℃以内),褐煤的渗透率呈先下降,再急剧增大,再减小的趋势,渗透率的极低点温度为50℃左右,极高点温度80℃左右;当温度小于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈下降趋势,当温度高于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈上升趋势。

层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏及渗透现象研究

通过热力耦合作用下层状盐岩流变实验研究可知,层状盐岩内部各层之间由于蠕变率不同变形不协调,导致层状盐岩体内多重剪切破坏,层间流变破坏后呈网格状,孔隙、裂隙增多,渗透率比未扰动时提高5个数量级,储库长期运行腔体围岩流变破坏后天然气必然发生泄漏。同时,层状盐岩流变破坏后气体渗透实验表明,其渗透率与有效体积应力关系为K=16.5×10-15 exp(-0.035Θe)。基于裂隙介质,建立了层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏后渗透特性数学模型,并对金坛天然气储库长期运行腔体围岩渗透特性进行了数值模拟,结果表明:由流变破坏造成的盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,夹层内部气体渗透滞后于层间裂隙气压,渗透速度随时间的延长逐渐减小,最后达到稳定状态。所以,高盐分泥岩夹层对天然气储库长期运行腔体围岩的渗透特性具有很大影响,确定合理的运行压力是保证天然气储库不发生渗漏的必要条件,为我国盐岩溶腔储库长期运行腔体围岩天然气渗漏现象研究提供一些参考依据。

CT实验条件下油页岩内部孔裂隙分布特征

为研究油页岩样内部三维正交面孔裂隙的分布特征,利用显微CT试验分析系统,对产自大庆的油页岩样进行显微CT扫描,结果表明:经过高温热解作用后,三维正交面上孔裂隙都非常发育,可作为热解产出油气的渗流通道,但分布特征却存在较明显差异,表现在孔隙度、空隙团、空隙团数量分形维数3个方面的参数值差异较大.与XOZ和YOZ面比较,在XOY面上,70层图像的孔隙度分布较均匀,空隙团的结构较规则.在油页岩原位注蒸气开采中,XOY面可作为为较适合的注热方向.

注入超临界CO_2对提高煤层渗透性的影响

为分析注入超临界CO2后,其对低渗透煤的作用,进行了超临界CO2抽提低渗透煤试验及超临界CO2抽提前后煤样的显微CT扫描试验。结果表明:该试验验证了超临界CO2对提高煤层低渗透性的可行性。由于超临界CO2的超强萃取作用,煤基质内少量的极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物被萃取,使煤体孔隙、裂隙增加。根据对超临界CO2试验前后煤样的显微CT扫描试验结果,直观地揭示了超临界CO2试验使低渗透煤内孔隙、裂隙发育程度增大,这充分证明超临界CO2有利于提高煤体渗透性,降低高瓦斯低渗透煤田的瓦斯灾害事故。