页岩气多级压裂断层动态滑移规律研究

泸州页岩气区块开发过程中套管变形现象严重,而多级压裂是诱发断层滑移并导致套管变形的主要因素,但目前缺乏对断层动态滑移演化规律的研究。在分析泸州地区套管变形失效特征和相关性的基础上,考虑水力裂缝沟通并激活断层实际,建立了多级压裂条件下断层滑移动态演化数值模型。研究结果表明:多级压裂导致近井筒位置孔隙压力随压裂逐级增加,有效地应力降低;模拟时间越长、注入点流量越大,断层滑移量越大,而压裂液黏度影响断层滑移量效果弱;断层长度、断层与井筒的夹角与其滑移量关系密切,断层长度越大,断层滑移量越大;断层与井筒夹角在一定范围内越大,断层滑移量越小;水平地应力差较大的地层断层滑移会越明显。研究成果可为页岩气多级压裂过程中控制压裂施工参数提供参考。

煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证

断层滑移型冲击地压是煤矿冲击地压的主要类型,目前对其发生全过程缺乏系统研究,其机理与防控仍是根本难题。为实现断层滑移型冲击地压的试验模拟,研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统,开发了低强高脆相似模拟材料,制备了包含断层与巷道的大尺寸相似模型,开展了一系列验证试验,实现了巷道冲击破坏模拟与断层剪切滑移模拟。煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统具备三向六面加载功能,竖向加载能力为20 MPa,模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m;主体框架创新采用键板连接,确保了主体框架的高刚度;发明了蜂窝加载壳结构,实现了密集油缸群加载,能够满足断层滑移型冲击地压试验模拟的要求。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的相似材料,材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料,单轴抗压强度介于3.44~7.81 MPa,冲击能指数为9.2,弹性能指数为8.83,兼具低强高脆特性。基于试验系统和低强高脆材料实现了静载巷道冲击破坏模拟,验证了低强高脆相似材料模拟巷道冲击破坏的可行性,获得了巷道极限平衡状态的加载条件,巷道帮部连续片落为巷道冲击破坏的显著前兆特征。实现了粗糙锯齿断层的剪切滑移模拟,证实粗糙断层剪切滑移会对巷道形成动载扰动,获得了断层剪切滑移的合理加载方式,采用动区顶部先加载、底部后卸载的方式能够实现断层的瞬间滑移,并能消除对静区应力状态的影响。

地下金属矿采动作用下断层带滑移失稳机制及影响规律

以山东省某矿山为工程背景,针对采动作用下断层带易产生滑移失稳问题,采用三维离散-连续耦合数值方法和理论分析的方法开展研究。计算了岩体质量RMR、原岩应力、开采条件及断层产状对断层及其近区围岩稳定性的影响规律,基于断层滑移量和剪应力差两个指标,建立了开采卸荷对断层影响程度的量化评估方法。研究结果表明:随着采场跨度、采场埋深的增大,断层的扰动区范围逐渐增大;随着RMR、断层倾角、采场到断层距离的增大,断层的扰动区范围逐渐减小;当断层倾角小于45°时,断层极易产生滑移;在此基础上,采用扰动响应准则与摩尔-库伦准则,分析获得不同条件影响下开采后作用在断层上的正应力和附加剪应力的变化规律,揭示采动作用对断层滑移失稳的影响机制。进一步采用矩阵散点图方法,得出各影响因素之间的相关性较弱,采场到断层距离与断层滑移量之间的相关性最强;采用核岭回归算法建立断层滑移量的预测模型,验证模型预测误差低于10%,表明该模型可以实现对采动作用下的断层滑移量的预测,本研究为采动作用下断层滑移及其近区围岩稳定性分析及预测提供理论及思路支撑。

采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律研究

为研究采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律,通过对现场围岩节理裂隙调查和钻孔取芯开展试验,获得了岩体节理裂隙产状分布及围岩基本力学参数,采用Hoek-Brown强度准则对不同层位岩体的力学参数进行修正,以离散断裂网络(Discrete Fracture Network,DFN)形式将节理裂隙数据导入FLAC3D软件,构建精细化数值模型并进行了模拟分析。研究表明:将岩体库仑破裂应力增量ΔCFS作为断层滑移失稳的定量判据,可有效预测断层的滑移失稳区域;当主应力沿断层上盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而降低,断层周边岩体不易发生损伤破坏;当主应力沿着断层下盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而增大,断层周边岩体的损伤破坏程度加剧;断层滑移失稳分可以为3个阶段,即滑移蓄能阶段、稳定滑移阶段与滑移弱化阶段;断层周边岩体应变能密度集中区为断层滑移失稳时能量释放位置,岩体应变能密度分布呈现出积聚—向下扩散—重新积聚现象;利用断层滑移失稳的能量公式,可估算出断层滑移失稳时的能量释放大小。

断层滑移区煤与瓦斯突出防控技术研究

为了提高大平煤矿断层滑移区煤与瓦斯突出防治技术措施,以吴庄逆断层构造为研究对象,根据工程现场实际情况,通过现场测试、理论分析与数值模拟相结合的方法,系统研究采动影响下断层滑移诱导突出过程中断层滑移规律、断层及相关煤层的应力分布及瓦斯运移动态特征和突出的动态机制,结果表明多因素与煤与瓦斯突出灾害之间的因果关系,并在此基础上对现有防控措施进行优化,从而增强了矿井瓦斯防治能力。

基于震源机制的断层滑移量计算方法

四川页岩气区块在开发过程中套管变形问题严重,主要由断层滑移引起,可通过微地震监测识别断层,但是基于微地震参数计算断层滑移量的方法还较为缺乏。基于震源机制基本方程,建立断层滑移量的计算方法,以长宁某井在压裂过程中监测到的微地震信号为样本,采用最大似然估计法对计算过程中所需震源参数b值进行精确计算,得到的断层半径和滑移量与现场结论相符,在此基础上分析了微地震参数和地层参数对断层滑移量的影响。研究结果表明:断层滑移量与地层性质、微地震矩震级和微地震b值有关。地层弹性模量越低,断层内摩擦系数越小,断层滑移量越大;断层滑移量随矩震级增加呈指数关系增加;b值越接近1,断层滑移量越大,且矩震级的变化对断层滑移量的影响越明显。若产生矩震级2.5以上微地震事件或微地震b值异常降低至1附近时,应及时调整压裂参数,降低压裂强度以预防断层发生滑移。该研究成果可对预警断层滑移风险提供参考。

不同开采条件下断层滑移危险性的研究

断层活化易引发井下的冲击地压事故,对煤矿的安全生产造成严重威胁。采用摩尔库仑破坏准则,建立了工作面分别沿断层上盘和下盘回采的数值计算模型。研究了工作面回采过程中,工作面和断层附近围岩的应力演化与应力分布特征,探讨了断层面上的正应力和切应力随工作面与断层距离变化的关系。认为采动应力引起的断层面的应力状态的突然改变是断层活化的主要原因,该研究成果为断层活化型冲击地压的治理提供可靠参考。

断层滑移对套管剪切变形的影响规律及防控措施

威荣深层页岩气区作为中石化页岩气开发的重点突破区块,开发以来一直面临着严重的套管变形问题,而水力压裂诱发的断层滑移正是导致套管变形的主要因素之一。因此,明确断层滑移与套管剪切变形的关系,对套管变形的防控具有重要的意义。文中考虑了2种断层触发机理,采用Mohr-Coulomb准则,建立了三维断层滑移计算模型;在此基础上,建立套管剪切变形有限元模型,以断层滑移量为边界条件,研究了不同断层参数对套管变形程度的影响;最后,提出了断层滑移精细化防控理念。研究结果表明:摩擦因数越大,套管变形量越小;随着断层长度增大,套管变形量也逐渐增大;随着水平地应力趋于均匀,套管变形量逐渐减小;断层夹角为0°,15°,30°时,套管变形量较大,而后迅速减小。

基于断层滑移理论的页岩地层套管变形风险评价方法及应用

针对套管变形风险预测难的现状,本文首先建立了断裂的临界扰动压力和激活角度计算方法,然后定量模拟了各类地质力学因素对临界扰动压力的影响规律,最后基于建立的方法预测了X2井的套管变形风险。通过本文研究,得出以下主要结论:断裂的临界扰动压力受到多种因素的综合影响,断裂的临界扰动压力越低,地层发生剪切错动的风险就越高,套管变形的风险越高。不同的断层应力状态,最优势滑移断裂所在的倾向和走向不同。地层孔隙压力越高,断裂的临界扰动压力越低;最大主应力和最小主应力差异越大,断裂的临界扰动压力越低;断裂面的摩擦系数越小,断裂的临界扰动压力越低。X2井最优势滑移断裂临界扰动压力平均值为2.24MPa左右,且全井段存在多处断裂激活显示,井眼套管变形风险较高;当X2井的最优势滑移断裂的临界扰动压力大于4.5MPa时,井眼一定不发生套变;当X2井最优势滑移断裂的临界扰动压力较低,甚至存在断裂激活显示的情况下,井眼不一定发生套变;在存在断裂激活显示的情况下,但没有发生套变的原因可能和地层中不发育断裂或者发育的断裂方向不在激活角度范围内有关。

水力压裂诱发断层滑移对套管的剪切作用研究

国内某平台出现的压裂过程中的套管变形损坏问题频发,现场蚂蚁体测试结果显示该区块储层天然裂缝及断层发育,因此推断水力压裂诱发断层激活滑移导致套管受剪切变形。首先建立了包含上部盖层、含有断层的储层以及下部隔层的断层滑移地质力学模型,对断层面间相互作用关系进行推导,运用黏聚接触方法对其进行表征,模拟计算了压裂液进入断层后断层激活滑移的距离。随后建立了含有断层的三维水平井套管—水泥环—地层力学耦合模型,计算分析了压裂诱发的断层滑移量及其对套管所受外载荷、应力及变形的影响。结果表明,水力压裂流体进入后降低了断层胶结物胶结强度与断层面摩擦强度,使得断层系统力学平衡被破坏,导致断层激活滑移;断层滑移的剪切作用会给穿越断层的套管施加强度高且非均匀性强的外载荷,造成套管变形失效。研究验证了现场对于套管变形是由于压裂流体激活天然裂缝及断层滑移剪切套管所致的猜想,并提出了相应的预防措施,对现场实际作业具有一定的指导意义。

温-压耦合作用下断层滑移对套管应力的影响

页岩气水平井段在压裂过程中容易诱发天然断层滑移,进而导致套管产生失效变形,影响页岩气生产。为研究断层滑移对水平段套管应力的影响机制,采用数值模拟的方法,借助ANSYS软件,建立了断层滑移有限元模型,研究在温-压耦合作用下的断层夹角、注液温差和水泥环弹性模量对套管应力的影响。研究结果表明:考虑温-压耦合作用会提高断层滑移对套管应力的影响;断层夹角越大,套管应力的增长幅度越小,且断层夹角越大,温-压耦合效应越明显;注液温差提高了断层滑移对套管应力的影响,当注液温差超过100℃时,套管应力会出现较大增幅;套管应力随水泥环弹性模量的增加呈现出先减小后增大的趋势,当滑移距离超过4 mm后,水泥环对套管的保护作用将大幅下降。研究结果可为预防页岩气井水平段套管失效变形提供一定参考。

断层影响下崩落法开采金属矿巷道破坏规律

为探究断层影响下金属矿巷道围岩变形破坏机制,以铁司锰矿为工程背景,采用UDEC2D数值模拟方法建立数值模型,分析了矿体开挖条件下断层带区域巷道的变形与损伤特征,并探讨了断层滑移、围岩失稳与地压诱发机制。结果表明:矿体开挖会导致断层所受水平应力下降,削弱了断层结构面的抗剪强度,导致巷道围岩变形,具有明显的层状悬臂梁倾倒破坏特征。位于上方的700巷道顶板岩石以镶嵌式结构为主,主要由结构面强度与水平应力保持稳定,垮落时无明显的张拉与剪切破坏特征。位于下方的670巷道会受到断层内部的节理岩体的滑动冲击作用,并由此表现出非对称变形、支护结构脱落以及地压灾害事故。

过断层工作面覆岩运移与变形破坏规律

为探究开采扰动对断层的动态响应特征,理论分析了过断层工作面诱发断层破坏的损伤机制,通过在FLAC3D中引入损伤变量,量化了断层的损伤演化趋势,并进一步研究了覆岩的变形特征。结果表明:引入的损伤判据与变量可以有效地量化评价断层的损伤破坏程度。损伤增长率存在单峰值特点,在距离断层100 m时,损伤增长率达到最大,约为84%,后续开采过程中主要呈现波动形变化特征,而工作面附近所受的剪应力以及垂直位移呈现出快速增加的特征。

近断层巷道围岩破坏规律与稳定性研究

煤矿井下巷道受到断层影响时会存在极大安全隐患。针对金辛达煤矿1107工作面轨道巷布置存在的断层影响问题,采用理论方法对断层影响程度进行了分析,利用FLAC 3D软件对煤柱留设尺寸进行了探究,并以距离断层远近为依据设计了2种支护方案,最终进行了工程验证。结果表明:断层发生滑移破坏前后,水平应力的数值由1.82倍上升至5.47倍。当煤柱尺寸大于25 m时,围岩的塑性区发育范围达到稳定,顶底板的塑性区发育深度为2.0~2.5 m,两帮的塑性区发育深度为2.5~3.0 m,最终确定煤柱留设尺寸为25 m.监测结果表明:在1107工作面回采期间,巷道四周围岩的锚杆在远断层与近断层区域均未超过屈服荷载,巷道围岩可得到有效控制。

库车再生前陆逆冲带造山运动时间、断层滑移速率的厘定及其意义

塔里木盆地北缘的库车再生前陆逆冲造山带发育生长断层相关褶皱。根据ShowJH和SuppeJ等提出的生长断层相关褶皱模型,对该逆冲造山带的运动时间进行探讨。在地震剖面中识别出典型的生长地层和生长三角。生长地层的连续性表明,自中新世吉迪克组沉积期至今,该造山带一直处于运动速率和强度递增的活动状态,而侏罗纪至早第三纪处于较稳定的构造背景中;利用生长地层确定断层滑移的时间为晚第三纪至第四纪,反映了由北向南台阶状逆断层的依次扩展和主逆冲断裂带的转换,以及主活动带由山前向盆地不断扩展,沉积、沉降中心随之向南迁移。根据生长三角计算出的各阶段断层滑移速率,吉迪克组沉积期(距今25Ma)为0.10～0.71mm/a,康村组沉积期(距今16.9Ma)为0.13～0.40mm/a,库车组沉积期为0.76～2.11mm/a,西域组沉积期(距今2.5Ma)为1.33mm/a。库车再生前陆逆冲带的中生界烃源岩主排烃期受其所在构造带的构造运动开始时间的控制,该逆冲带构造圈闭的形成和油气运移都与断层相关褶皱作用相伴随,油气聚集发生于晚第三纪至第四纪,且北部较早、南部较晚,最靠近北缘山前的东风背斜带为吉迪克组沉积期,北部背斜带为康村组沉积期,南部背斜带为西域组沉积期。图2表1参8(王孝陵摘)

汶川地震同震形变场的GPS和InSAR邻轨平滑校正与断层滑移精化反演

为克服InSAR观测汶川地震同震形变场的邻轨不连续问题，提出联合GPS观测值与邻轨平滑约束的同震位移校正方法，采用GPS观测形变去除PALSAR轨道误差引入的残留平地相位，基于形变平滑条件校正邻轨干涉相位的不连续性．ALOS／PALSAR干涉处理结果表明，校正后同震形变场的准确度与平滑性得以显著提高，InSAR高相干点残差达3．6cm，校正后精度提高约60％，低相干点精度提高约40％，校正后形变场的邻接平滑因子标准差减小约33％，验证了轨道误差校正与邻轨平滑约束方法的准确性与可靠性．进一步基于弹性半空间位错模型的断层滑移反演结果表明，断层滑移主要分布于映秀、北川和青川地区，集中于地壳深度0～16km范围，最大滑动量（位于北川县城）约为9．0m，GPS反演模型残差为5．5cm，InSAR反演模型残差达9．2cm，InSAR反演精度约有30％的显著提高，由模型反演计算得到的地震矩为8．0469×10^20N·m．

固液耦合模式下采动诱发断层两盘滑移规律的模拟分析

以五沟煤矿F16断层的地质条件为背景,采用三维有限差分数值软件FLAC3D的固液耦合模式,对断层倾角、断层破碎带宽度及承压水水压不同时,在断层上盘煤层开采过程中断层界面滑移量的变化规律进行了分析,研究得出:断层界面同一标高处的垂向滑移量随断层倾角、断层破碎带宽度及含水层水压的增加而增大。断层界面的垂向滑移量越大,突水危险性越大。

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系，以老虎台矿83003综放工作面为研究对象，采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测，对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明，重复采动使断层活化，83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5～8m；锚索工作阻力突变值大于5kN时，将在33h内发生能量较大（大于10^6J）的矿震，对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。

汶川地震断裂带断层滑移作用--来自高磁化率断层岩的信息

断层岩与地震有着密切相关,通常沿断裂带的断层面发育。本研究以2008年汶川地震(M_s8.0)的发震断裂(映秀-北川断裂带)发育的古地震造成的断层岩为研究对象,利用Bartington MS2仪器表面测量探头对发育于四川省都江堰市虹口乡(31°8.789′N,103°41.472′E)映秀-北川断裂带花岗岩中的两条断层岩开展了高密度测量。测试结果表明磁化率在2×10^(-6)SI到74×10^(-6)SI之间变化,所测剖面均显示出断层岩区域与高磁化率相互对应现象。这种现象可能是由于断层滑移作用产生的高磨擦温度导致断层岩中高磁化率新矿物的形成所致。断层滑移作用致使断层泥中矿物颗粒粒径的减小也可能使磁化率增强。高磁化率断层岩(断层泥)的存在可以作为地震断层的判别依据之一,本研究对于定量分析研究断层岩(断层泥)提供了一种新尝试。

基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模拟研究

断层滑移型岩爆事件已经成为影响地下矿山安全开采的重大问题。为深入了解断层滑移型岩爆事件对岩体及支护系统的影响,采用三维离散元程序3DEC,开展断层滑移的数值模拟研究。通过比较常用的震源模型,根据断层滑移形状及滑移特征,构建基于改进Haskell模型的断层滑移型岩爆震源模型。从荷载施加、断层面滑移及震源远区岩体质点振动响应等方面,验证改进的Haskell模型在模拟断层滑移方面的有效性。改进Haskell模型的计算结果与位移理论计算公式、质点振动速度经验公式等结果一致,结果表明,改进的Haskell模型能够很好模拟断层滑移震源特征以及合理的岩体震动响应。