一种用于水力裂缝扩展数值计算的材料断裂能反演方法与应用

为研究预置裂纹对水力裂缝扩展行为的影响，利用基于扩展有限元法的虚拟裂纹闭合技术计算能量释放率，借鉴PFC参数标定的思想，提出一种依据水压与裂尖能量释放率的关系反演材料断裂能的方法.将此方法计算出的断裂能作为材料参数，得到的起裂水压模拟值，与相关文献及水力压裂试验值对比，误差均不超过7%,证明了方法的可靠性.在此基础上研究水压注入预置裂纹时水力裂缝的力学行为，采用最大能量释放率准则，分析了围压应力和预置裂纹初始倾角对水力裂纹起裂与扩展的影响.结果表明，对于类岩石内斜裂纹，在水压作用下发生拉剪破坏，水力裂纹朝向裂纹前端拉应力等值线距离裂纹尖端最近的方向进行扩展，该方向径向切应力为0;相比于地应力，预置裂纹倾角对水力裂纹起裂水压力的影响较大，因此应主要通过改变注射角或者选择45°～60°的天然弱面进行压裂，从而降低工程成本.     

混凝土水力劈裂时裂缝扩展与缝中水压力变化试验研究

对原混凝土水力劈裂试验的密封装置进行了改进,为避免水压力较大时硅胶板变形过大,用硅胶套替代原来的硅胶板,并用夹子固定在混凝土试件上.同时为了追踪水力劈裂过程中裂缝尖端开裂位置的变化,在混凝土预留缝端部布置了一排防水应变片.通过4个扩散硅传感器和5个防水应变片同步实时量测试验过程中混凝土水力劈裂过程中的缝面水压力分布和应变变化,并将测得的缝面水压分布和扩展裂缝尖端位置进行比较.结果表明:水力劈裂试验中,随着外水压的增加,裂尖稳定扩展速度明显增大,且裂缝失稳荷载下降.裂缝内水压力随着裂缝张开而降低.起裂时缝内水前端滞后裂缝尖端10mm,失稳时,缝内水前端滞后裂缝尖端40mm.     

水力劈裂裂隙扩展与软弱面作用机理离散元研究

针对高承压水引发水力劈裂导致巷道的突水渗水问题,对离散元流固耦合算法进行改进,更新了流体通道长度和水压力对颗粒的作用模式.进行水力劈裂裂隙(HFs)与天然软弱面(WPs)相互作用的数值模拟,得到5种作用模式,并获取不同模式之间的临界水压力值,进一步分析了试件的位移、接触力以及特征点的应力变化.结果表明:1) 定压力注水试验,流体压力值在初始注水处最大,沿裂隙扩展方向逐渐减小;2) 不同模式下试样位移响应具有差异性,法向接触力接触方向存在明显竖直优势面,切向接触力则产生4个垂直的优势方向;3) 测量圆1处应力在起裂阶段变化剧烈,最大主应力始终为压应力,测量圆2处应力响应相对滞后,主应力曲线的特征是由劈裂裂隙和软弱面之间的作用模式决定.     

基于Hoek-Brown强度准则的裂隙岩体劈裂注浆力学机理

为了获得裂隙岩体中劈裂注浆压力的计算方法,首先假设裂隙岩体服从非线性Hoek-Brown强度准则,采用断裂力学分析模型分析裂隙的劈裂压力,推导裂隙岩体中Ⅱ型和复合型裂纹的劈裂注浆压力计算方法.基于断裂力学中裂纹失稳机制,利用材料的线弹性特性,分析复合型加载条件下裂纹的失稳机制,并提出裂纹扩展的最有可能发展方向.最后,对非线性强度参数及裂纹长度对劈裂注浆压力的影响进行分析.研究结果表明:劈裂注浆压力的计算应该重点考虑裂纹长度和非线性强度参数的影响;裂纹长度对注浆压力的影响显著,注浆压力随裂纹长度增大呈非线性减小;注浆压力随非线性参数的增大而逐渐减小,随地质强度的增大呈先增大后减小的趋势.     

包含摩尔-库仑准则的单元劈裂法模拟围压下节理扩展

以单元劈裂法作为基本方法,采用摩尔-库仑准则作为单元劈裂准则,探索和发展一种更为简单有效的节理扩展数值模拟方法.由于单元劈裂法是利用三角单元的几何特性构造出的一种特殊三节点节理单元,它可以在原网格划分方案基础上直接对裂纹扩展进行数值模拟.而摩尔-库仑准则是广泛应用于岩土工程材料的破坏准则,可以较为准确地预测岩土材料的破坏行为.因此,将二者结合起来,对节理扩展模拟具有较大优势.为验证本方法的有效性,分别模拟了不同围压下多裂纹岩石材料的破坏过程,并与相应试验结果进行对比分析.结果表明,本方法能再现不同围压下多裂纹扩展、汇合的基本过程和特征,从而说明本方法是有效的.     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟，较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下，压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动，裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹，而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

双孔劈裂条件下地应力及孔间应力的耦合分析

针对注浆过程中的裂纹扩展问题,通过理论分析和数值模拟,研究了地应力与孔间应力耦合作用下劈裂注浆的作用机理.研究结果表明:单孔劈裂主要受地应力影响,钻孔沿着最大主应力方向或垂直于最小主应力方向扩展.双孔劈裂受到地应力与孔间应力扰动的耦合作用,相当于力矩合成定理,使钻孔沿其合力方向扩展(孔距较大时相当于两个单孔劈裂);其劈裂破坏过程可分为应力积累、裂纹稳定扩展、失稳破坏三个阶段,双孔间观测点处的最大主应力和孔隙水压力会随着计算步数的增加分别对应形成应力跌落区和能量累积区;钻孔间距较小时初始起裂压力的变化不明显,而间距较大时初始起裂压力随侧压力系数的增加而增加.     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

基于XFEM的重力坝裂缝扩展路径的探讨

近年来,扩展有限元法被广泛用于处理不连续问题,因该方法克服了常规有限元法在模拟裂缝扩展时需不断的网格重划分及对裂纹面与单元边界一致性的要求而导致的繁琐计算和误差等缺点.用二维扩展有限元法模拟了带水平缝混凝土重力坝在水压作用下裂缝的扩展路径.首先,讨论了裂缝扩展增量对其路径的影响,然后研究了裂缝在不同高度和初始长度下的扩展路径.结果发现扩展增量对裂缝扩展路径方向影响甚微,但对大坝的位移影响较大;裂缝的高度和长度对其扩展路径影响均不大.     

水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在,真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。自行研制了一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料,内部预制张开型裂隙组,通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试验。详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在渗透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制;研究了裂隙组倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。试验表明:水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明显不同,水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用,对包裹式翼裂纹有促进作用;平行双裂隙组试件的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加,起裂应力和峰值强度增大并逐渐趋于单裂隙强度水平。试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

水工混凝土结构裂缝主要成因挖掘的粗集方法

研究水工混凝土结构裂缝的主要成因,采取适当措施控制裂缝,从而改善水工混凝土结构的耐久性.本文运用粗集理论,提出水工混凝土结构裂缝主要成因挖掘的方法.首先,建立水工混凝土结构裂缝-成因模式信息表,然后对产生裂缝的可能原因进行压缩或约简,删除可能成因中的冗余信息,从而挖掘出裂缝产生的主要原因.最后将该方法用于某重力拱坝裂缝主要成因的分析当中,得到水位和温度是该坝在运行过程中裂缝产生和发展的主要影响因素的结论,该结论与大坝的实际运行情况相一致,说明该方法是可行的.     

坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律分析

为探究不同因素对水力裂缝扩展行为的影响,以塔山煤矿坚硬顶板砂岩为研究对象,采用扩展有限元法模拟裂缝扩展过程,分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展行为的影响。结果表明：单裂缝扩展时,应力比和泊松比越大,抗拉强度越小,越有利于裂缝延伸,且稳定扩展压力越小;应力比和泊松比越小,抗拉强度越大,越有利于裂缝张开;注液间隔时间对裂缝扩展影响较小。双裂缝扩展时,注液速率和裂缝间距越大,越有利于裂缝延伸;注液速率越大和裂缝间距越小,越有利于裂缝张开;注液速率减小,裂缝间距增大,稳定扩展压力减小。针对坚硬顶板砂岩的水力压裂,此研究可为煤矿现场设计与施工提供参考和借鉴。     

裂纹方向对脉冲涡流激励热成像的影响

摘要：
通过建立不同方向裂纹的有限元模型,对利用脉冲涡流热成像技术检测铁磁和非铁磁金属材料的裂纹缺陷进行分析,讨论了不同方向裂纹对裂纹附近涡流场和温度场的影响,并提取试件表面温度最大值作为特征量来对裂纹方向角与几何尺寸的关系进行分析.同时,通过实验对数值分析结果进行验证.结果表明:在铁磁材料中,具有各种方向角的裂纹都可以检测到;而在非铁磁材料中,当方向角较小时难以检测出其裂纹.根据试件表面温度分布的对称特点,可对裂纹的走向进行初步判断;根据试件表面最大温度随着裂纹方向角的增大而呈线性增加,可进一步识别裂纹方向角. 关键词：
脉冲涡流热成像; 裂纹检测; 裂纹方向 中图分类号： TG 115.28
文献标志码： A     

压裂液对油页岩裂缝扩展影响的数值模拟

压裂液在油页岩水力压裂裂缝扩展过程中扮演着重要的角色,因此获得压裂液对油页岩水力压裂裂缝扩展的影响规律对油页岩水力压裂技术的发展有着巨大的推动作用。文章选取羟丙基胍胶稠化剂配制成了不同含量的压裂液基液,并测量了其粘度。然后,基于XFEM裂缝扩展分析方法和压裂液对油页岩裂缝扩展的影响模型,采用Abaqus数值模拟软件,对吉林省汪清地区的油页岩进行了不同粘度和不同排量压裂液条件下的裂缝扩展仿真模拟。分析模拟结果发现,水力压裂裂缝在油页岩中扩展时,压裂液排量是影响裂缝扩展的主要因素,而压裂液粘度对油页岩裂缝扩展的影响很小;随着压裂液排量的增加,裂缝的长度和宽度迅速增大,其扩展速率亦随排量增加而增大;到水力压裂后期,裂缝长度和宽度逐渐趋于常值,即压裂液对裂缝扩展的影响逐渐变小。     

径向井排引导水力压裂裂缝扩展机理研究

为探究径向井排系统对裂缝的影响，明确水力裂缝的扩展规律，利用扩展有限元理论建立了流固耦合三维裂缝扩展模型，模拟了受径向井排引导的水力裂缝扩展过程。重点分析了3种影响因素（径向井排方位角、水平地应力差、径向井孔径）对水力裂缝的引导机理。首次提出了"引导因子"的概念，并将其作为有效评价径向井排引导效果的量化参数。研究发现，径向井方位角、水平地应力差、径向井井径会对水力裂缝的引导效果产生影响：较小的径向井方位角、水平地应力差以及较大的井径都使径向井排具有较强的引导能力和较好的引导效果，反之亦然。同时，较大井径对增加水力裂缝宽度有明显作用。最后，利用大尺寸真三轴水力压裂模拟试验证实了数值模拟结果具有一定的准确性。     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.