水压致裂过程分析的数值试验方法
岩石水压致裂数值模拟研究综述
岩石水压致裂数值模拟研究综述摘要：综述了我国岩石水压致裂技术主要现状及进展，讨论了我国岩石水压致裂的特点、应用情况、改进情况及应用前景，针对煤矿进入深部开采以后，随着开采深度的不断增加，对未来煤矿深部开采中水压致裂技术在我国大中型煤矿中广泛应用和水压致裂在数值模拟方面的研究进行总结。
关键词：深部开采；水压致裂；数值模拟；RFPA0前言近些年来，国内水压致裂理论及其技术已经取得了重大进展，随着计算机模拟技术的发展，水压致裂技术已经开始在我国大中型煤矿中广泛应用，并取得了良好的效果。
岩石水压致裂过程是水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过程。
研究其破坏过程有利于认识其损伤破裂与渗流相互作用的发生机理，是许多工程学科面临的热点课题。
由于煤层赋存条件的差异性，以及工作面条件的复杂性，水压致裂的效果与工艺参数的设定大都依赖实践经验或人工计算。
但计算机模拟技术的发展将推进水压致裂技术的更快发展。
本文就近几年来我国岩石水压致了数值模拟方面的研究进行了阐述。
1岩石水压致裂数值模拟研究由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂全过程分析系统RFPA2D将细观力学方法与数值计算方法有机地结合起来。
通过考虑非均匀性特点研究岩石的非线性力学行为，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，为岩石的非线性力学响应和破坏过程的分析与模拟提供了非常有用和方便的工具。
岩石破裂过程分析系统RFPA2D可以从本质上研究岩石变形的非线性特征，有效准确的模拟岩石水压致裂过程。
通过对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制的模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。
1．1非均匀性岩石水压致裂数值模拟的研究1．1．1不同均质度对岩石水压致裂过程的影响应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统RFPA，模拟分析岩石在水力压力作用下破裂失稳过程，对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响。
水压致裂法测试原地应力的研究与应用.doc
水压致裂法测试原地应力的研究与应用水压致裂法测试原地应力的研究与应用内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古鄂尔多斯摘要文章以红庆河区乃马岱井田为例，着重介绍了水压致裂法测试原地应力基本原理、测试方法及良好的技术效果，为煤矿巷道的施工设计提供了可靠的依据。
关键词水压致裂法；原地应力；测试方法；定向印模法中图分类号TD263 文献标识码 A 文章编号10076921XX15008201 红庆河区乃马岱井田位于东胜煤田南缘的中部区，其构造形态为一向西倾斜的单斜构造，倾角一般为1°～3 °，井田内含煤地层为侏罗系中统延安组。
为了给矿井设计提供基础数据，在井田的主检孔和地应力测量孔2个钻孔中采用水压致裂技术进行了原地应力测量。
测量原理水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，并以下面3个假设为前提①岩石是线弹性和各向同性的；②岩石是完整的，非渗透的；③岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行。
在此前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应变问题，如图1所示。
根据弹性力学原理，在作用有两向主应力σ1和σ2的无限大平板内，有一半径为a的圆孔，则圆孔外任何一点M处的应力为有圆孔的无限大平板受到图12圆孔壁上的应力集中应力σ1和σ2作用。
740this.width740“ borderundefined 式中σr为M点的径向应力，σθ为切向应力，τrθ为剪应力，r为M点到圆孔中心的距离；θ为σ1方向起反时针量测的角度。
当ra时，即为圆孔壁上的应力状态σθσ1σ2-2σ1-由式2可得出如图1所示的孔壁A、B两点及其对称处A′、B′的应力集中分别为--液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，将在最小切向应力的位置上，即A点及其对称点A′ 处产生张破裂。
并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方向扩展。
此时把孔壁产生破裂的外加液压称为临界破裂压力。
临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度Thf，即-若考虑岩石的孔隙压力，将有效应力换成区域主应力，则式5将变为-S1Thf-此处的S2、S1分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力。
水力压裂理论模型及数值计算方法综述
Crouch[18-19] 最早提出了位移不连续法并用于处理
裂缝壁面间的不连续位移场问题。Dontsov 等 [20-21] 以 边界元方法为基础建立了改进的拟三维模型。Chen 等 [22] 针对边界元法求解拟三维水力压裂模型效率不 高的问题，提出了一种基于 Runge-Kutta-Legendre 方 法的显式时间步长算法。Adachi[23] 利用其提出的拟三 维模型，研究在两个对称应力边界上的水力裂缝的扩 展高度。
水力压裂数值模型的研究工作已经取得了长足的 进步，从二维模型发展到现今的全三维模型甚至真三 维模型，从过去边界元占主导地位的情形发展到现今 边界元方法和有限元方法共同主导的情形。边界元 法 [2] 只在定义域的边界划分单元，因而计算模型单元 个数少，数据准备简单，在处理中小规模问题时求解 效率高。离散元法 [3] 将研究对象离散为刚性块体（或 颗粒）的集合，块体间不必满足连续性条件，在处理 多裂缝、天然裂缝等不连续结构方面具有优势。随着 计算机和计算数学的快速发展，传统有限元法 [4] 及其 衍生的扩展有限元法 [5] 在模拟非均质岩石中裂缝的扩 展方面具有极大优势，目前已成为水力压裂数值计算 方法的强大工具。
在处理不连续界面问题时，边界元法的精度较高， 且能够将问题进行降维处理，在水力压裂研究中得到 了广泛应用。边界元法的不足之处在于它需要利用问 题的已知解析解求解，仅适于线性、均质问题求解， 并且它产生的系统方程的系数矩阵为满阵，限制了处 理问题的规模。 2.4 离散元法（DEM）
离 散 元 法 的 概 念 最 早 由 Cundall[24] 于 20 世 纪 70 年代提出，是基于非连续介质力学的数值计算方法。 其主要思想是把研究对象离散为刚性块体 ( 或颗粒 ) 的集合，使每个块体满足牛顿第二定律，各刚性块体 之间通过接触连接以描述运动及相互作用，并且在各 不连续单元之间形成的通道内允许流体流动。由于离 散元法形成的块体间不必满足连续性条件，因此在处 理多裂缝、天然裂缝等不连续结构方面具有优势。
6-水力压裂
当P试验P真实时
2 压裂液粘度影响的滤失系数Cv
假设 压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动； 压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替； 压裂液和地层岩石均不可压缩； 压差ΔＰv为常数。
理论基础：达西定律计算实际滤失速度
最终得到:
m2
MPa
mPa.S
3 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc
本构方程
宾汉型液体
在一定的剪切应力作用下才能流动，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。
本构方程
典型压裂液:泡沫压裂液
粘弹性液体
流体特征： 当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。 目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出具有部分或全部粘弹特征。
类型：水外相型 油外相型
特点:破乳快、污染小； 热稳定性差、成本高
4 泡沫压裂液
组成：液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 稠化水、盐水、水冻胶、原油 或成品油、酸液 气相： 氮气、二氧化碳、空气、天然气等
适用范围 K<1mD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂
三、 地应力的测量及计算
（1） 矿场测量 — 水力压裂法 — 井眼椭圆法
（2）实验室分析 —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 有限元计算
第二节 压裂液
压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择
2 油基压裂液
适应性: 水敏性地层、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等) 特点: 污染小、遇地层水自动破乳； 易燃、成本高、热稳定性较差。
地应力测量方法
地应力测量方法目前，我所地应力测量主要采用四种方法进行，分别为基于钻孔的深孔套芯解除法、深孔水压致裂法和基于岩芯的差应变法、滞弹性恢复法。
其中套芯法测试精度最高，水压致裂法次之，但套芯法测试周期长，建议根据项目需求选择合适地段进行测试。
几种测试方法可以联合使用，综合比对各种方法的测试结果，最终确定测试钻孔的地应力状态及规律。
一、实验参数①深孔套芯解除法应变、弹性模量②深孔水压致裂法应力③岩芯的差应变法声波波速、应力④岩芯的滞弹性恢复法应变、时间二、实验仪器设备及技术参数①深孔套芯解除法2006型-深孔套芯地应力测量仪是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪（实物见图2和图3），包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪，另外还有配套的井下专用安装工具，在青藏铁路沿线、南水北调西线和西气东输等国家重大工程中得到应用。
图2 中国地质科学院地质力学研究所2006型-深孔套芯地应力测量仪a bc图3 井下应变记录仪（深孔型外壳为无磁不锈钢）a.井下应变记录仪操作面板；b.36Ф全应力测量探头;c. 井下应变记录仪分解图KB-2006-J型井下专用空心包体探头，是我所获地质部科技成果一等奖的KX－81型空心包体全应力计的基础上改进发展的全应力测量探头，12个120Ω箔式应变片（三组90°、0°、±45°应变花，呈径向120°排列），一次测量即可获得该点的三维应力。
水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种，下井前配好，适应期2小时。
KB-12-J型深孔应变仪是超小型智能化数字仪器，是我所研制的钻孔专用定时记录式微型应变仪，采用目前最先进的msc1200微处理器芯片和Flash存贮器及独立知识产权的电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪。
主要特点是：①外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗，端面密封圈防水结构耐静水压40MPa；②独立微功耗电子定时器，可按事先设定的时间定时启动主机，一次充电可在井下定时待机数月，连续采集工作时间＞20小时；③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯，事后回访主机为PC机或笔记本电脑，简明快捷的人机对话窗口，利用主机或PC双向设置控制；⑤理想实用的PC处理软件--多点曲线实时显示同时生成数据文件，σ-ε曲线自动生成。
水压致裂法地应力测量技术及工程应用
水压致裂法地应力测量技术及工程应用水压致裂法是地应力测量中最常用、可靠的方法之一，论文详细阐述了水压致裂法的测试原理、设备简介以及在现场钻孔中的测试步骤，介绍了如何从压力-时间曲线读取压裂特征值。
并结合测试实例，得出深部岩石三维地应力大小。
标签：水压致裂法；地应力测量；印模实验水压致裂法始于50年代石油开采用到的水力压裂技术，为提高采油量用水压在钻孔中人工制造裂隙。
1987年国际岩石力学会议确定水压致裂法为测定岩石力学的推荐方法之一，是目前测量深部应力最可靠最直接的方法，该方法操作较简单，测值可靠，可进行多次或重复测量[1]。
它是利用膨胀封隔器在已知深度上封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对测段增压。
利用记录到的破坏压力、瞬时关井压力和重张压力确定水平主应力值。
由于此方法不需要套芯，克服了应力解除法应用上的缺点，可应用到深井测量，可以在煤矿井巷、水利隧洞、铁路隧道等领域推广使用。
1设备简介中国地质科学院地质力学研究所研发的SY-KX-2011水压致裂测试系统可满足深度两千米以内的裸孔应力测试（图1）。
此设备为单回路地应力测试系统[2]，单回路系统是指只用一个回次即可先后给封隔器和测试段加压，而双回路系统是通过两套独立的系统分别实现做封和实验段加压，双回路系统的优点是可以同时观察试验段和封隔器的压力变化，若封隔器压力不够漏水时，可以及时加压。
较双回路系统省时、准确，更适合孔径较小的钻孔，单回路仅通过一条高压管线（或钻杆）依次对封隔器和加压测试段施加液压，转换通过推拉活塞实现，可实现多次重复测量、任意段测量和小孔径测量等。
主要组成部分如下：1）高压水泵：电动轴向柱塞泵，型號250CY14-1B，最大压力为100MPa，最大流量为75ml/r，最大转速为2500r/min，重量为75kg。
2）高压油管：钢丝编织胶管结构，内径6±0.5mm，工作压力≦50MPa，试验压力51.5 MPa，用量约2捆100m段、20根1m段，配合三通管使用。
水压致裂法
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
水力压裂裂缝三维扩展 ABAQUS 数值模拟研究
水力压裂裂缝三维扩展 ABAQUS 数值模拟研究张汝生;王强;张祖国;孙志宇;林鑫【摘要】油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。
建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程，引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则，考虑流体在裂缝面横向、纵向流动，采用有限元计算软件ABAQUS 中的 Soil 模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。
通过其黏结单元设定裂缝延伸方向，编写用户子程序并嵌入 ABAQUS 主程序中，以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。
从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。
【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】4页(P69-72)【关键词】水力压裂;裂缝扩展;流固耦合;ABAQUS有限元;数值模拟【作者】张汝生;王强;张祖国;孙志宇;林鑫【作者单位】中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TE319裂缝扩展几何形态是水力压裂设计中需要考虑的一个重要因素，对裂缝延伸范围的正确预测可以合理选择压裂施工参数，并对产能进行准确评估。
随着压裂优化设计技术的发展，压裂裂缝延伸数值模拟模型也从二维发展到拟三维，直到目前的全三维模型［1-5］。
对这些模型的数学求解大多采取有限差分格式，且计算过程中假设岩石为线弹性材料而不是弹塑性孔隙材料，这样必然与实际情况有较大偏差。
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杨天鸿等：水压致裂过程分析的数值试验方法
制的若干新进展力学进展， １９９７，２７（Ｉ）：５～１８
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７唐春安脆性材料破坏过程分析的数值试验方法力学与 １９９９（２）：２１～２４
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水压致裂过程分析的数值试验方法”
杨天鸿唐春安刘红元朱万成
（东北大学，辽宁沈阳１１０００６） 摘要应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合 分析软件Ｆ．ＲＦＰＡ２０研究均质、非均质岩石水压致裂 过程，对比理论解验证数值模拟软件的可靠性，为该 问题破裂机制的研究提供新的分析方法． 关键词水压致裂，数值模拟，破坏过程 水压致裂最早应用于石油开采ｔ１］，后来在地应 力测量Ｌ２ｌ、岩石断裂韧度分析【３ Ｊ以及水库诱发地震 和核废料场地评价卜１等领域得到广泛的应用．传统的 分析方法为现场原位测试、室内物理模型实验和解析 理论降Ｊ．理论分析不能考虑介质的非均匀性，原位测 试和窜内实验受经费等条件限制，同时数据采集的可 靠性和破裂过程显示的直观性受诸多因素的影响所 以数值模拟方法显示出良好的应用前景．
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４结论和讨论
本文建立了由分数导数型本构关系（１）描述的黏 弹性弹簧构成的质量一弹簧系统的动力学方程（３）及 其无量纲形式（４）．得到了系统对简谐激励的稳态响应 （６）．分析了黏弹性材料参数对幅频特性的影响． 由于分数导数是线性算子，叠加原理成立，基于本 文结果可以得到系统对一般周期激励的稳态响应借 助模态函数，利用本文结论还可以分析分数导数本构 关系描述黏弹性粱、黏弹性薄板等结构的受迫振动．
１）国家杰出青年科学基金（５９５２５４０８）和国家教委跨世纪人才基金项目资助． ２０００－１Ｉ－２０收到第１穑，２００１－０３－０９收到修改稿
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想着为他们创造出国学习、进修和研究的机会．我们 地球动力学方向毕业的硕士生自１９７９年恢复研究生 制度以来有近４０人，其中大多数人部是王ｒ老师介 绍、推荐出国的 １９８７年，他派我到日本京都大学防
同国后，他义鼓励我申请跨学科博士学位使我终身 遗憾的是，我未能在他离开这个世界前实现他对我的 这～愿望． 王仁老师虽然离开了我们，但是他这些可贵的精 神将永远鞭策和激励我奋进．他所开拓和耕耘的地球 动力学园地一定会生机勃勃，蒸蒸日上．
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Ｗ．Ｃｏｏｋ需要人合作研究和开发一种
新的解决不连续变形体动力学问题的数值方法．王ｆ： 老师太力支持我参加这个工作，并谆谆教导我要把自 己的脚牢牢地扎在中华大地上 １９９９年首届地震模
３（ｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ，１９９３
４刘延柱，陈文良，陈立群．振动力学．北京：高等教育出 版社．１９９８
ａ＝０．８的幅颤特性曲线
从图中可见，幅频特性曲线存在最大值，即出现 共振．增大￡和ａ均可使共振时的幅值减小．与无阻 尼时在ｓ＝ｌ出现共振不同，出于ｆ和ｎ的存在使得 共振不在ｓ＝１出现．对于给定的ｏ，共振频率随∈增 大而显著减小对于给定的ｆ，共振频率随ｎ增大而 增大，但变化不明显．
ｍａｄｅ ｏｆ ｖｉｓ－
ｃｏｅｌａｓｔｉｃ Ｌｉｖｅ
ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｈａｔ ｏｂｅｙｓ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｉｏａａｌ ｄｅｒｉｖａ－
ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ
Ｔｅ＿
ｃｏａｓｔｈｕｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ
ｓｐｏｎｓｅｓ ｔｏ
ｓｉｍｐｌｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
拟国际研讨会主席邀请他到澳大利亚参加这次会议， 他却把这个机会让给了我，并对我说，这不但对你是 一次锻炼的好机会，而且也是让人家了解我们工作的 好机会．王仁老师对我要求十分严格． １９９４年我从
伯克利回来，他就鼓励我读在职博士，在学术上接受 王仁老师非常关心青年教师、学生的成长，时刻 更进一步的训练和提高．由于１９９５年我又赴伯克利合 作研究，此事就搁置下来 １９９６年我完成合作研究
灾研究所执行颂合作研究项目．这是我初次出国，
而且科研工作难度很大．临行前．他特别叮嘱我要努 力．虚心学习，把工作做好． １９９１年他又支持我到美
万 方数据
５吴景浓室内岩石水压致裂三轴试验研究岩土工程学 报。１９８６（８）：６ｌ～６９
６ Ｈｕｂｂｅｒｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃ－
ＤＧ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ｏｆ
ＭＫ．Ｗｉｌｌｉｓ
ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｔｕｒｉｎｇ ｉｎ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ａｎｄ ａｎＭｙｚｅｄ
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