复杂地基应力和稳定非线性分析的不连续位移法

以间接边界元法的不连续位移法为基础，采用符合Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则的节理单元来模拟软弱夹层，给出了按增量常刚度迭代格式及其加速算法进行非线性分析的方法，讨论了在复杂地基应力分析和坝基深层稳定分析中的应用．理论研究和实际计算表明本文方法简单有效，收敛速度快，计算省时，是分析这类问题的一种好方法．

节理岩体的自适应不连续位移法

考虑节理岩体的不连续性，本文基于位移不连续的相对误差的估计方法，引入自适应技术，推导出位移不连续法的网格自动加密公式，实现了由计算机根据局部误差信息自动加密网格的目的，从而得到在给定的误差要求下计算工作量最小的优化网格，用自适应不连续位移法计算节理岩体问题，可以提高计算精度和效率。

Z形与曲线形裂纹的不连续位移解法

本文采用Fourier变换方法,导出了无限平面不连续位移的弹性解,并利用应力(或位移)边界条件建立了一组求解裂隙表面间断位移的线性代数方程。证明了Z形与曲线形裂纹应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ与无限平面单直裂纹问题的等价性,进而获得了Z形与曲线形裂纹尖端应力强度因子的数值结果。和现有数值方法比较,本方法具有未知量少、精确度高以及收敛性强的优点。

一种适用于水力裂缝扩展的混合位移不连续单元法

位移不连续法被广泛地应用于模拟水力压裂裂缝扩展问题。为了提高常位移不连续单元的计算精度,精确捕获裂缝尖端的奇异行为,基于水力裂缝尖端多尺度渐进解,引入了相应的尖端修正单元,并在尽可能减少引入额外自由度的情况下,构建了混合节点配置的二次位移不连续非尖端单元,形成了一种特殊尖端单元+高次单元的混合位移不连续单元法。结果表明,通过4个典型实例对比发现,采用本方法只需少量的单元就能精确计算任意形状裂缝的应力强度因子和能量释放率,更重要的是能精确捕获不同传播机制主导下水力裂缝的几何尺寸和尖端渐进行为,从而验证了本方法的精确性和优越性。

基于位移不连续法的水力裂缝应力干扰分析

基于二维常位移不连续法及其三维校正方法,建立水力裂缝应力干扰边界元数学模型并给出了模型求解的关键步奏和MATLAB程序构架,实现多条水力裂缝应力干扰计算,对于致密油气储层压裂优化设计具有重要的指导意义。敏感性分析表明,单条裂缝离散的裂缝单元数量N=20能够满足计算的精度要求;裂缝内的流体压力将会扰动裂缝附近局部的应力场,在裂缝的长度范围产生诱导压应力,而在裂缝的尖端产生拉伸诱导应力,最小水平主应力方向上的诱导应力值和分布范围均大于最大水平主应力方向的诱导应力分布;多裂缝之间的应力干扰会引起局部应力场的非对称分布,裂缝间距越小,受挤压越严重,相应区域的裂缝宽度将会减小;随着裂缝条数的增加,区域的应力场分布将更加复杂。

用Fourier变换求半平面不连续位移的基本解

利用Ａｉｒｙ应力函数和Ｄｉｒａｃｄｅｌｔａ广义函数，采用Ｆｏｒｉｅｒ变换的方法导出了全平面和半平面集中不连续位移的基本解．由于利用了积分变换表，本文的推导过程十分简单．

常位移不连续边界单元法的应用

本文总结介绍了位移不连续边界单元法以及位移不连续单元法的应用程序,以此分析二维线弹性体内问题、外问题和裂纹问题,展示该方法的有效性。分析了常位移不连续法应力计算精度与单元划分数量的关系,可用于估计常位移不连续法的计算精度。

弹性层状半平面的位移不连续基本解

为了得到弹性层状半平面的位移不连续基本解,从平面应变条件下的弹性力学基本方程出发,利用Airy应力函数并采用Fourier积分变换求解方程,得到了各层之间的传递矩阵和弹性半无限空间的刚度矩阵表达式.在求得传递矩阵和刚度矩阵的基础上,结合边界条件及各层间的连续性条件求解,再进行Fourier反变换,得到弹性含任意多层的半平面中直线段上作用均匀分布法向或切向不连续位移的基本解.通过与己有的弹性半平面位移不连续基本解进行对照,验证了推导的正确性,并给出了一个数值算例.结果表明:传递矩阵-刚度矩阵法解决层状问题简单有效;积分变换方法是求基本解问题的一种理想的方法.

基于孔隙弹性力学理论的致密油气藏储层改造体积预测方法

储层改造体积预测对于致密油气藏体积压裂改造效果评估和施工参数优化设计具有重要意义。基于孔隙弹性力学理论和半解析的三维位移不连续法,综合考虑水力裂缝诱导应力,压裂液滤失引起的地层孔隙压力变化及其诱发的孔隙弹性应力的耦合效应,建立水力裂缝干扰模型下的地应力场预测模型,采用最大张应力强度准则和莫尔-库伦强度准则表征天然裂缝的张开与剪切破裂行为,将天然裂缝张开、剪切破裂波及体视为储层改造体,提出了一种预测致密油气藏直井体积压裂储层改造体积的半解析方法。研究结果表明:水力裂缝诱导应力和压裂液滤失引起的孔隙压力和孔隙弹性应力变化导致水力裂缝附近区域内的原始三向地应力发生改变,变化区域呈现椭球状;岩石本体破裂行为仅发生在水力裂缝边缘处的小范围区域内,天然裂缝的张开、剪切破裂才是形成储层改造体积的关键;实际储层改造体积形状近似于椭球体,现阶段现场常用的长方体等效方法并不合理;实例井研究验证了本方法的准确性与工程应用价值,可为致密油气藏体积压裂施工参数优化设计和压后产量预测提供有利的参考。

基于多裂缝扩展形态的水平井压裂施工参数优化

为研究多簇压裂裂缝扩展的实际形态对水平井产能预测的影响,进而科学指导压裂施工设计,基于位移不连续法(DDM)研究了布缝间距和布缝数量2个因素对多裂缝扩展形态、流量分配的影响,并采用CMG数值模拟软件结合吉林油田H区块的实际地质参数,建立了单水平井压裂均质模型,基于产能最大化,优选出最佳的压裂施工参数。结果表明,随着簇数增加,进液量百分比极差和裂缝长度极差先增大,后略微减小;当进行4簇射孔压裂时,裂缝2、3的进液量百分比和缝宽都过小;簇间距对多裂缝扩展均匀程度有着重要影响。为了保证多裂缝扩展均匀程度更高,在实际压裂施工中应采用较大的簇间距。在H区块地层参数条件下,最优裂缝簇数为3簇,最佳簇间距为40 m,最优裂缝半长为120 m,最佳裂缝导流能力为10μm^(2)·cm。该区块适合使用黏度30 MPa·s、排量6 m^(3)/min的压裂液进行压裂。

低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化新方法

水平井分段多簇压裂中簇间距的大小是决定水平井分段多簇压裂成败的关键因素。为提高低渗透油气藏储层压裂改造效果,需建立合理的簇间距优化模型,而现有的优化方法多以应力反转半径作为最佳间距,并未定量化表征压裂后的储层改造效果。为此,基于弹性力学基础理论和位移不连续法建立了考虑水力裂缝干扰模式下的复杂地应力场计算模型,研究了天然裂缝在复杂地应力场条件下发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的规律,再以获得最大缝网波及区域面积为优化目标,形成一种新的簇间距优化方法。研究结果表明:(1)张开的水力裂缝会在其周围产生诱导应力,压裂液的滤失则会导致地层孔隙压力变化,相应的地层孔隙弹性应力也会发生变化;(2)天然裂缝剪切破裂区域与张开破裂区域重叠,且前者要远大于后者,可采用天然裂缝剪切破裂区域面积来表征复杂裂缝网络波及区域的大小。采用该方法指导了现场水平井的簇间距优化设计,实验井压裂后取得了理想的增产效果,为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂的簇间距优化设计提供了借鉴和指导。

考虑层理影响的威远页岩气储层压裂裂缝高度预测模型及施工优化方法

基于三维位移不连续法和有限差分法,建立了考虑层理影响的全三维水力裂缝流—固耦合模型。针对四川威远页岩气储层,研究在弱层理面开启和剪切滑移下水力裂缝的垂向延伸机理。研究发现,当裂缝扩展到层理结构时,裂缝的垂向生长受到抑制。相比于均匀发育的层理,裂缝在每穿过一层对称的非均匀层理后,裂缝流体压力和裂缝宽度递减速率比较大,不利于裂缝垂向生长和支撑剂运移。相比于增大单段注入排量,适当增大压裂液黏度,不仅可以有效增大裂缝宽度和提升支撑剂的运移效率,同时可以减小压裂液在地层中的滤失。通过优化施工参数,为威远地区页岩气水平井压裂提供相关技术指导,以获取更好的储层改造效果。

边界元法及层状介质岩体在地表及岩层移动计算中的应用

引进了一种特殊的、易于计算操作的横观各向同性体———层状介质来描述岩体,并利用计算实例指出层状介质岩体的重要性和合理性.应用实例表明,对德国煤矿的深部开采,采用介质各向异性的强度为0 05～0 01较适宜.

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。

水平井体积改造应力干扰计算模型及其应用

基于位移不连续边界元法,引入应力校正因子,建立裂缝介质应力场计算模型。模型计算精度与三维位移不连续模型接近,并显著减小了计算复杂度。在此基础上,基于断裂准则和扩展速度模型,建立了多裂缝扩展形态算法,对多裂缝应力干扰及应力干扰下裂缝扩展形态进行了计算研究。结果表明：应力干扰作用范围由缝高或缝长的最小尺寸决定,对缝长大于缝高的裂缝,应力干扰作用范围为1.2～1.5倍缝高,对缝长小于缝高的裂缝其范围为1.2～1.5倍缝长;缝间距相对缝高越大或净压力相对原场主应力差越小,裂缝偏转位置距离井筒越远,裂缝偏转角度越小。3簇等间距布缝时,中间裂缝沿直线路径扩展,而非等间距布缝时,中间裂缝会向间距远的裂缝一侧偏转,且存在单一主扩展裂缝。

页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.

断裂扰动区隧道初始地应力场数值反演

初始地应力场是隧道及地下工程关注的核心问题之一,特别是在断裂构造区域,地应力分布受到扰动,出现量值与方向的改变。目前初始地应力反演主要基于地应力实测值,但大量的隧道工程缺乏地应力测试数据。针对这一问题,提出了无地应力实测值条件下基于断层产状与断距的初始地应力场反演方法:拓展位移不连续法数值方法,利用断裂构造自身特性,引入断层变形模型,建立断裂构造的位移不连续法数值解法,利用该计算内核实现初始地应力场回归反演。工程案例分析表明,断层断距反演值与实测值基本吻合,地应力反演值与实测值较为接近,断裂构造周边地应力场呈现不均匀特性。

纵向叠置多薄煤层压裂裂缝竞争延伸数值模拟

滇东黔西地区煤层具有纵向多薄层叠置的特点,且割理裂隙等结构弱面较为发育。前人的多层、薄层压裂裂缝模拟多针对砂岩储层,关于结构弱面对水力压裂裂缝影响的研究多集中在页岩和裂缝性砂岩,对结构弱面发育、高泊松比、低杨氏模量的多薄煤层水力压裂裂缝竞争延伸规律缺少系统的揭示。考虑层间流量动态分配和割理裂隙发育特征,建立拟三维裂缝延伸数学模型。以滇东上二叠统煤层为例,模拟并分析了直井多层组合压裂时各层裂缝竞争延伸。研究表明:结构弱面分布不同导致各层裂缝形态差异较大;水力裂缝被结构弱面捕获使得裂缝变窄,增加了压裂砂堵风险;杨氏模量较小的煤层多层合压,层间流量分配差异相对较小;对射孔参数已确定的井,增加压裂液黏度、提高排量可减小层间流量差异,进而促进各层缝长充分扩展;减小压裂液黏度,降低排量可控制缝高。