基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展

构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键.借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势,提出采用径向井压裂干热岩储层.基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型,考虑压裂过程中低温诱导热应力作用,首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制,随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律.结果表明:采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧,径向井的存在有利于储层拉应力提升,干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅51.63%.基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强.径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通,降低流体流动阻抗.

低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明:该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明:极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。

热应力影响下干热岩水压致裂数值模拟

干热岩水压致裂过程中低温诱导热应力与注入水压共同影响裂缝的萌生与扩展。首先通过THM耦合分析了低温压裂液注入过程中注入水压与热应力的相互作用及其对裂缝萌生的影响,随后建立描述岩石细观结构的THMD耦合模型对热应力影响下高温岩石水压致裂过程进行初探。结果表明:低温压裂液注入高温岩石产生的热应力包括岩石自身温度梯度形成的热应力与岩石颗粒非均匀膨胀导致的热应力,并在井筒周围呈现为拉应力。高注入压力将抑制热应力导致的多裂缝萌生,井筒附近热应力的存在对注入压力也具有削弱作用。基岩温度升高,裂缝萌生阶段更多裂缝在井筒附近起裂,缝网沿最大地应力方向的扩展速度减慢,但改造规模增加,同时多裂缝的存在也使得裂缝延伸压力增加。

高温高压CO_(2)反应流动相变致裂机理

利用自主研制的气动力脉冲真三轴试验系统,开展了超临界CO_(2)热冲击致裂高强度混凝土块体试验,探究了热源功率、CO_(2)初始压力对热冲击破岩过程及裂隙损伤演化规律的影响,分析讨论了高温高压CO_(2)相变致裂过程及其裂纹扩展演化规律.充分考虑含能材料反应放热、CO_(2)相态变化、传热传质、瞬态非线性流动以及高压气体驱动损伤演化过程,建立了高温高压CO_(2)热冲击破岩的热-流-固-损伤(THMD)多场耦合模型,进一步分析了CO_(2)温度场、压力场以及损伤演化规律,揭示了高温高压CO_(2)反应流动相变致裂机理.研究结果表明:超临界CO_(2)热冲击致裂过程主要包括:高压气体瞬态释放产生应力波诱导型径向裂缝;相变膨胀的高温高压CO_(2)驱动径向优势裂缝扩展,并产生分支裂缝.其中气动力脉冲峰值压力和瞬时加载速率的增加有助于产生更多的径向裂缝,而CO_(2)初始压力和聚能剂含量的提高会使分支裂缝更容易形成.此外所建立模型的模拟结果与试验结果较为一致,表明了CO_(2)初始压力对岩石致裂效果影响有限,而增加热源功率可以有效扩大岩石损伤范围.研究进一步地揭示了高温高压状态的CO_(2)相变流动致裂机理,对该技术应用于硬岩破除和致裂增渗具有指导意义.