基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法

岩石裂纹起裂应力的识别和研究对认识脆性岩石受载变形及破坏过程具有重要意义。系统总结了现有的裂纹起裂应力确定方法(裂纹体积应变法、侧向应变法、移动点法、声发射振铃计数法)及存在的问题,并以单轴压缩条件下岩石破裂过程中声发射幅值及b值分析为基础,提出了一种基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法。采用GAW2000单轴刚性试验机和声发射测试仪开展了一系列变辉长岩和花岗岩的单轴加载试验,根据力学及声发射测试结果,对所提方法及现有方法进行了评价。研究结果表明:声发射b值演化法具有明确的物理机制及意义,可以方便准确地确定起裂应力大小,测定应力结果与现有方法所得结果具有一致性。通过方差分析可知,所提方法与现有方法不存在统计差异,验证了该方法测定裂纹起裂应力的可靠性。2类岩样的起裂应力均与单轴抗压强度呈正线性相关,使用所提方法确定的变辉长岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.51倍,花岗岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.48倍。所提方法及研究成果对于丰富岩石裂纹起裂应力测试手段和探究岩石脆性破坏机制具有一定的价值。

玄武岩脆性相似材料的起裂和损伤强度特征试验研究

岩石起裂强度和损伤强度是评价硬岩高应力破坏的重要指标。利用可表征玄武岩块体物理力学行为的脆性类岩石相似模型材料,基于Hoek三轴压缩试验与声发射测试,开展了模型材料的变形破坏特征、声发射特性、裂纹起裂与损伤应力阈值水平、岩石起裂与损伤强度特征等方面的研究工作。研究成果揭示了模型材料的硬脆性破裂演化特征,给出了模型材料的裂纹起裂应力、损伤应力阈值,定义了模型材料的起裂强度包络线与损伤强度包络线,探究了玄武岩块体脆性相似材料的起裂强度和损伤强度特征。研究成果可为玄武岩地区地下洞室开挖片帮、岩爆或破裂等应力控制型破坏的预警预报提供一定的技术支撑。

含裂隙岩石微裂纹起裂扩展及损伤演化分析

为探究含有不同裂隙类型(张开、闭合)、裂隙倾角和裂隙长度岩样的微裂纹起裂扩展及损伤演化规律,基于PFC 2D构建了含裂隙岩样模型并进行单轴压缩数值试验,从细观角度解释了不同裂隙倾角和裂隙类型岩样的起裂及破坏特征差异,并从能量角度对岩样进行损伤分析。结果表明,随着裂隙倾角α的增大,张开型峰值强度呈正相关,闭合型则先减小后增大,弹性模量与峰值强度变化规律一致。当30°≤α≤60°时,两种含裂隙岩样多从裂隙尖端起裂;当60°≤α≤90°时,两种岩样破坏路径相似;基于胶结破坏能定义损伤变量和修正系数,建立了演化模型,分别从裂隙类型、倾角和长度三个角度验证了模型的合理性。研究结果可为进一步了解含裂隙岩体受载后的损伤演化过程提供理论基础。

射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律研究

BZ气田中深部地层以硬质岩石为主,储层起裂压力大,压裂作业的难度与危险性大。射孔孔道是传递压裂动力的通道,合理的射孔参数设计能够降低储层的起裂压力。基于断裂相场理论,结合压裂液流动-岩石应力损伤耦合方程,建立基于相场法的裂缝扩展模型,并通过现场数据验证模型的可靠性。结合BZ气田岩石力学数据及射孔弹打靶试验,采用压裂数模软件模拟不同射孔方案下硬质岩石的起裂压力变化规律。研究结果表明:定向射孔时,沿水平最大主应力方向射孔岩石的起裂压力最小;螺旋射孔时,相位越大,孔密越小,起裂压力越大;不考虑孔道摩阻的影响,孔径对起裂压力影响较小;起裂压力随着穿深的增加而降低,且穿深小于100 mm时起裂压力的降低幅度最大。建议BZ气田采用定向射孔,射孔方向沿水平最大主应力方向,射孔孔密大于每米16孔,射孔弹穿深大于100 mm,孔径尽量大;如果采用螺旋射孔,则射孔相位要小于60°。该研究成果为BZ等硬质岩石油气田储层压裂改造射孔参数优选提供参考,可提升储层压裂效果。

晶向对铝合金构件微动疲劳初始起裂的影响研究

交变荷载作用下铝合金板材及结构组件的微动疲劳问题是飞机安全服役所面临的主要挑战和技术难题,而微动疲劳影响因素辨识是微动疲劳评估及控制的关键。为促进飞机构件微动疲劳评估及控制技术的发展,利用晶体塑性有限元方法和子模型-全局模型耦合技术研究了飞机机身铆钉-平板结构在压、剪交变应力循环作用下裂纹萌生特征,探讨了以晶向表征的材料细观织构分布对铝合金试样微动疲劳的影响。研究发现,晶向分布将对晶体材料的弹性模量和屈服及硬化强度造成明显影响;晶向分布对微动疲劳接触面起裂部位的影响不明显,而对亚表面起裂部位影响比较显著;晶向分布对微动疲劳初始起裂寿命的影响比较明显。研究结果表明,晶向分布这一细观织构影响了晶体材料宏观尺度的弹性强度特征和塑性变形特征,并对金属构件微动疲劳初始起裂寿命、亚表面裂缝发轫位置及扩展特征均造成了影响。基于该研究结论,利用材料加工方法改变金属晶体试样浅表层的晶向分布状态,将可以对微动疲劳裂缝发轫及扩展起到抑制作用。

奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制PFC数值分析

超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段,而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节,但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清,致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制,难以保证注浆效果。针对上述问题,利用颗粒元(Particle Flow Code,PFC)数值模拟软件,考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面和裂隙的倾角和宽度等因素,开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明:在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(1∶1、2∶1、3∶1)的增大而减小,随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大,随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30°、60°、90°)的增大而减小;起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展;起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小,当弱面强度较高时,起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力,而且沿着基质起裂;当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时,起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂,当注浆孔置于弱面中间位置时,起裂裂隙沿中间位置的基质起裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制,指导注浆参数的选取,为解放深部煤炭资源提供技术支撑。

天然裂缝地层中垂直井水力裂缝起裂压力模型研究

受天然裂缝走向和倾角的影响,水力裂缝在井壁处起裂可能有3种方式,即:沿天然裂缝面张性起裂,沿天然裂缝面剪切破裂,从岩石本体起裂。确定水力裂缝在井壁处起裂的压力和方式,对水力压裂设计和施工有重要的作用。根据天然裂缝产状和地层地应力状态,建立了水力裂缝3种起裂方式的起裂压力计算模型,给出了水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。现场实例证明,该模型较为成功地解释了天然裂缝性地层的破裂压力。

预制裂隙花岗岩的裂纹起裂机理试验研究

为了探究含裂隙花岗岩材料的裂纹起裂机理,以取自三山岛金矿的花岗岩为研究对象,利用金刚石砂线切割机对试件预制不同倾角的裂隙。采用声发射与表面应变监测等手段,并基于最大畸变能理论对单轴压缩条件下裂隙花岗岩的裂纹起裂强度、起裂角以及裂纹扩展路径进行试验与计算。试验结果表明,岩石强度随裂隙倾角的增加呈非线性变化规律,裂隙倾角与加载方向一致时,试件峰值强度最大。裂纹起裂均位于预制裂隙尖端,裂纹起裂角随预制裂隙倾角的增加而单调增加;裂纹起裂强度的变化特征与岩石峰值强度相似,均呈现先降低后增加的规律。当0°<β<90°时,裂隙尖端产生翼型裂纹,随着外荷载增加,反翼型裂纹产生并导致试件失稳破坏;β=0°时,起裂裂纹与裂隙近似平行但未持续扩展,试件呈显著地压剪破坏;β=90°时,裂隙端部受张拉应力作用生成与裂隙近似垂直的张拉裂纹。通过声发射振铃计数突变特征与应力-时间曲线判断,当裂隙倾角β为45°时,起裂强度最小,仅为峰值应力的40%,此类岩石在较低荷载作用下发生破裂,岩石破裂为渐进式,裂纹扩展速度相对较慢;相比之下,裂隙倾角β为0°和90°时,起裂强度较高,岩石的破裂过程较为迅速,裂纹在较高应力作用下起裂并快速扩展导致岩石破坏,呈现出明显的脆性破坏特征,岩石破裂的预判难度较大。以最大畸变能理论为依据的计算结果表明,复合型裂隙的起裂角与裂隙倾角呈单调增加的关系,与最大周向拉应力准则相比,理论计算与试验值吻合程度更高。最大畸变能理论可用于判断单轴加载条件下单裂隙岩石的起裂特征。

天然裂缝地层斜井水力裂缝起裂压力模型研究

受天然裂缝和倾角的影响,水力裂缝在斜井井壁处可能存在3种起裂方式,分别为沿天然裂缝面张性起裂、沿天然裂缝面剪切破裂和从岩石本体起裂。根据地层地应力状态及天然裂缝的产状,建立了裂缝性地层斜井水力裂缝3种起裂方式的起裂压力计算模型,提出了水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。现场实例表明:该模型能成功地解释天然裂缝性地层的破裂压力。

水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理

建立水平井定面射孔局部地应力计算模型,利用建立的模型分析水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理,研究井筒位置、射孔参数等对起裂压力的影响规律。根据渗流力学理论建立了定面射孔岩体三维流固耦合地应力模型,采用最大拉应力理论给出了定面射孔起裂压力确定方法,并通过应用实例验证了模型的可靠性。采用模型进行计算分析后发现:对于正断层型和逆断层型地应力场,定面射孔时裂缝均在射孔壁面上起裂,正断层型地应力场易形成宽而短的垂直缝,逆断层型地应力场易形成长而窄的转向缝;对于正断层型地应力场,井筒方位角和井筒倾斜角越大,定面射孔的起裂压力越低;对于逆断层型地应力场,井筒方位角越大、井筒倾斜角越小,定面射孔起裂压力越低;射孔夹角越小、射孔直径越大、射孔深度越大,定面射孔起裂压力越低。

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,(1)水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;(2)水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,(1)水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;(2)排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。

用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究

在混凝土等准脆性材料的动态起裂韧度K_(1d)测试中,准确确定试件裂尖的起裂时间是测试工作的关键。采用分离式霍普金森压杆系统,对圆孔裂纹平台巴西圆盘混凝土试件进行动态径向冲击试验,通过在裂尖粘贴应变片的方法来确定起裂时间。讨论了应变片在裂纹尖端的粘贴位置、粘贴方向等因素对起裂时间测试值的影响,结果表明裂尖应变片的最佳粘贴方式是:在裂纹延长线上或在裂尖并与裂纹垂直的线上,都距离裂尖3 mm左右,且粘贴方向与裂纹延长线垂直。给出了考虑贴片位置和试件厚度的起裂时间计算公式。

基于页岩各向异性的裂缝起裂数值模拟分析

页岩层理在水平方向上有序地定向排列结构导致了页岩较强的弹性各向异性。基于岩石横观各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型。考虑页岩弹性力学参数各向异性差异,进行了射孔参数和非均匀地应力对水平井裂缝起裂压力和起裂位置的敏感性研究分析。研究结果表明:裂缝起裂点对射孔方位角有较强的敏感性,随射孔方位角的增大易出现复杂的裂缝起裂形态;裂缝起裂压力随射孔方位角的增大而增大,随射孔密度的增大而减小;弹性模量各向异性对起裂压力有较大的影响,弹性模量各向异性比值越大,起裂压力越小;无论是均质地层还是各向异性地层,水平地应力比值对起裂压力的影响较大,初始水平地应力比值对起裂压力的影响较小。计算结果可为页岩储层的裂缝起裂压力预测以及裂缝扩展机理深入研究提供参考。

弹塑性地层水力压裂起裂模式及起裂压力研究

针对弹塑性储层,基于线弹性理论假设的传统起裂模型已不再适用,需要研究基于非线性本构方程的起裂模型。基于岩石非线性本构方程,运用塑性全量理论,建立了弹塑性地层井周应力场模型;结合"井壁"应力场模型和弹塑性岩石破坏准则,建立了弹塑性地层的起裂压力预测模型。结果表明:岩石产生塑性屈服,"井眼"应力集中效应会减弱,"周向张应力会减小",甚至无法产生。屈服后的起裂压力比线弹性理论预测值大,起裂模式存在拉张和剪切两种方式,剪切起裂存在破坏角。屈服后,幂硬化指数小于等于0.5的岩石只可能产生剪切起裂;幂硬化指数大于0.5的岩石,屈服应力、幂硬化指数、内摩擦角和凝聚力越小,越容易产生剪切起裂,反之越容易产生拉张起裂。

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。

压缩状态下张开型裂纹起裂扩展规律

为获得张开型裂纹起裂及扩展规律,对于断裂力学分析不同裂纹倾角和不同裂纹长度时张开型裂纹的起裂特征,运用RFPA数值模拟软件研究含张开裂纹的岩体在单轴压缩试验下的裂纹扩展及破裂特点.研究结果表明:裂纹倾角和长度对张开型裂纹起裂及扩展规律的影响显著.裂纹倾角越大、长度越小,翼型裂纹扩展路径越趋于直线,起裂方向与原裂纹方向越接近,裂纹起裂角越小;裂纹起裂应力随裂纹倾角的增大先减小后增大,且与裂纹长度成反比.岩体的峰值强度也与裂纹几何参数密切相关,随裂纹倾角的增大呈现先减后增的变化规律,随裂纹长度的增加整体趋于减小.

不同构造地层水平井压裂起裂规律研究

水平井水力压裂时,由于井眼轨迹较长且钻遇地层复杂,使得井筒周围应力分布差异较大,从而无法准确预测起裂压力及起裂方位。利用Matlab软件三维可视化的优点,对储层构造为正断层、逆断层和平移断层3种情况下的压裂液侵入作用在井壁的应力分布状态进行模拟分析,并结合断裂力学理论对各种构造地层中压裂裂缝起裂压力和起裂方位进行研究。主要利用憋压时井眼周围三维应力分布直观地得到起裂方位规律,并对不同水平井方位角下的起裂压力规律进行了研究。结果表明:利用Matlab建立的水平井筒周围原地应力和压裂液作用下的综合应力三维图,能更好地阐述裂缝起裂方位和延伸趋势;不同构造水平井的起裂规律不同,水平井方位角为0～45°时,平移断层的起裂压力比正断层和逆断层的起裂压力要低一些;水平井方位角45～90°时,逆断层的起裂压力比正断层和平移断层低;正断层的裂缝延伸方位与逆断层和平移断层不同;水平井方位角为0°和180°时,起裂压力最大,90°时起裂压力最小;最小主应力是影响起裂压力最显著的因素。

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明:弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。

考虑储层流变性的水力压裂起裂时间计算模型

针对水力压裂过程中流体与岩体相互作用的时间效应以及起裂阶段两者耦合机制的问题,首先根据含气软煤的蠕变试验结果,通过对储层物性的分析,利用经典流变组合广义Kelvin模型以及MATLAB最小二乘迭代法的拟合方法,建立改进的六元件非线性黏弹塑性本构模型;其次,在六元件非线性黏弹塑性蠕变模型基础上,结合垂直井裂缝性储层的起裂压力模型,建立低渗软煤的起裂时间计算模型;最后,结合焦作富水矿区试验井压裂资料与煤样测试资料,对模型进行求解与验证。研究结果揭示了煤储层起裂时间与起裂压力的科学匹配关系,以及储层裂缝特性对起裂时间的控制作用,可为维护软煤压裂缝以及保护矿区地下水环境提供理论参考。