三向应力状态下岩盐的水力压裂机理

三向应力状态下岩盐的水力压裂机理 化工矿山技术1993芷 ,{gg1’ 三向应力状态下岩盐的水力压裂机理 旦阳友奎卢国胜主要武庄乾城 (四川建材学院)(重庆大学) 根据弹性力学和最大拉应变强度理论及等围压实验,对岩盐水力压 裂钻孔周厝的应力应变 场进行了研究.建立丁水力压裂的理论破裂 准则 租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载 ,井通过实验进行丁 验证, 关蝴 , 萄 1概述 岩盐矿床开采的水力压裂溶解采矿法 (简称水力压裂法),其实质就是通过钻孔向 盐层注入高压水压裂盐层.迫使盐层产生开 放式的裂隙,一方面增加水与盐层的接触面 积,另一方面可大大提高盐层的渗透率,使盐 并之间产生溶液贯通的通道.要实现生产实 践中的压裂,首先必须确定地面加压系统的 型号和效量,这就需要研究地下一定深度处 于一定应力状态的压裂段钻孔的破裂水压; 还需研究裂缝的开裂方向等,以便正确布置 井组而使裂缝能顺利贯通目标井,因此,研究 岩盐的水力压裂机理有着重要的现实意义. 1957年Hubbe~MK0等人的研究工作 奠定了水力压裂的力学基础.他们用狭义平 面应变假设研究了水力压裂时压裂段钻孔周 围应力分布与孔内水压及所处的原地应力场 之间的关系,用最大拉应力强度建立了水力 压裂孔壁岩石对经纵向张拉破裂的准则 一3P,一尸I—(1) 式中——水力压裂时的孔内水压} ,尸I——压裂段钻孔所处的原地应 力场中水平面内的最大,最 小主应力分量; ?国家自然科学基金资助嘎耳 —— 孔壁岩石的单轴抗拉强度. 分析(1)式可知,破裂孔压仅受原地 应力场中,尸I以及岩石单轴抗拉强度的 影响.笔者认为不仅如此,的大小还与原 地应力场中的轴向应力分量及岩石的变 形特性有关.例如.横向拉应力为零时,由轴 向压应力引起的横向拉伸应变可使岩盐产生 纵向张性劈裂破坏.岩盐试件的单轴和三轴 压缩纵向张性劈裂破坏和碎裂破坏实验表 明以NaCI含量为主要成分的多晶体结构软 岩,晶体之间的拉伸应变是导致其产生张性 破坏的根源.本文从压裂段钻孔听处的三向 原地应力场出发,考虑岩盐的力学特性,用最 大拉应变强度来建立水力压裂破裂准则. 2岩盐水力压裂的广义平面应变力学模型 的建立及破裂准则 设沿钻孔轴向地层的自重应力为地应力 场中的一个主应力,沿钻孔轴向的压裂段 岩盐变形均匀,即一常效.这样,岩盐水力 压裂就可视为—个典型的弹力广义平面应变 问题其受力模型如图1所示. 若不考虑岩盐的流变特性和压裂液的渗 流作用等因素,通过对模型的求解可得到压 裂段钻孔附近岩盐中的应变场的表达式; ? 鼹 ? 第22卷第5期化工矿山技术?l5? 一面111(+PI)[(1一)一(1+]+{(PJ—)[(1++d) 一 4+3(1+)~3cas204-P.(1+)吾一j 一面111(PI+PI)[(1一+(1+)菩]一吉(PI—PI)[(1+g--4) 一 吾+3(1+)]o0B一P-(1+)吾一j 一 ~CP,----”(PJ+P_)] 一一(Pf—PI)(1+2菩一3)2口 式中:y,口,2——圆柱坐标系中某一点沿径 向,环向,轴向的坐标分量t ,,以,f,,——压裂段钻孔周 围岩盐中某一点在圆柱坐 标系下的三个正应力和三 个剪应力分量} ,,y,,——压裂段钻孔周 围岩盐中某一点在圆柱坐标 系下的三个线应变和三个剪 应变分量; .,—— 岩盐的变形模量与泊松比{ a——钻孔半径} P.--钻孔内均匀的水压. 令(2)式中的y—a,得孔壁岩盐应变分 量;圉1 ..一 1[一 (尸l+)+2.u(1+)(Pf—P,)cas20+(14-g)P.一] ..一 击[(Pf+PI)一2(1一)(Pf—P,)cas20一(1-4-g)P.一] ..一 告[PJ—(P|4-/’,)3 ....一’.一0 由(3)式知,在压裂过程中,随钻孔内水 压P.的逐渐增大,压裂段孔壁岩盐的环向应 变‰逐渐减小}当P.增大到—定程度时, (2) (3) 将从正的压应变变为负值的拉应变,当口一0 或时々取得极小值: ?l6?化工矿山技术1993正 岛一 击[(+)一2(1一)(一)一(1+)一](4) 笔者认为,当钻孔内水压的增大引起 孔壁岩盐环向应变的极小值达到岩盐破坏的 极限拉伸应变a时,孔壁岩盐将产生径纵向 张裂破坏,如图2所示. 图2xy面上水力压裂对径纵向张裂破坏 令(4)式等于,得岩盐水力压裂破坏 准则: = (+)+(只一)++丑-(5) 式中:A一1/(1-t-)>0; ?et<0——表征岩盐抗拉强度的指 标.. (5)式表明,岩盐水力压裂的破裂孔压 与原地应力场中水平面内的最大,最小主 应力之和+成正比,与一成反比; 与成反比}与孔壁岩盐的抗拉强度指 标的绝对值『?a『成正比. 3岩盐水力压裂的室内实验研究 实验所用岩样取自大理州乔后岩盐矿. 岩盐的基本特征和主要物理力学参数见表 1,应力应变垒过程曲线如图3. 4—20246 ,() B…2(1<0;图3乔后岩盐典型的单轴压缩 一一 M(1-t-p)<仉应力一应变曲线 D一一1/(1+<0; 表1乔后岩盐基本特征和主要物理力学参数 由于岩盐具有遇水溶解的特点,所以饱 和盐水外注水方式套用了和干式锯,磨法加 工成带中心加压孔(孔径为8mm)的厚壁圆 筒水力压裂试件(外径50mm,高lOOmm),以 模拟现场地下钻孔水力压裂的情况,实验研 究在自制的22-’I一1型等围压三轴水力压裂 仪匕进行. 为了研究岩盐水力压裂的破坏方式和形 态,轴压和围压等因素对破裂孔压的影响规 律,进行了如下三类岩盐试件水力压裂的实 验研究. 轴压恒定时,围压PH变化的压裂实验 结果如表2所示. 表2一23.5M(恒定)时不同围压 下岩盐试件破裂孔压实测与试件 破坏特征 桨, 围压尸H恒定时,轴压P变化的压裂实验 ? 第22卷第5期化工矿山技术-17? 结果如表3. 表3围压恒为PH==10MPa,不 同轴压岩盐试件破裂孔压实测及试 件破坏特征 机 MPa 一 轴压和围岩PH同时变化时,岩盐试件 的水力压裂实验结果见表4. 表4Pj和PH同时变化试件破裂孔压及 破裂特征 胁桩R嚣编号MPaMPa— MPa ……… 匕述三种实验研究结果表明: (1)除在轴压与围压差很大的情况下岩 盐试件的水力压裂表现为75.左右纵向拉剪 破裂外,一般情况下岩盐试件的水力压裂均 表现为90.纵向对径张拉破坏.这与现场岩 盐钻孔水力压裂所观察到的现象基本相同. 这也说明前面对岩盐水力压裂的理论研究 和破裂准则推导中所依据的张性破裂原理是 正确的.岩盐试件的水力压裂的张性破裂在 ZH—l型等围压三轴水力压裂仪加载系统 上表现为腑眭张裂破坏. (2)实测所得的破裂孔压与围压和轴压 之间的比例关系为?1.33P,,?一0. 304P..这与破裂准则(5)式所反映的破裂孔 压与围压和轴压之间的比例关系?1. 36P,,?一0.32P.接近.说明岩盐水力压 裂破裂准则(5)式比用传统的HubbertMK 准贝《估算或预测岩盐水力压裂的破裂孔压更 准确. (3)将表2,3,4中的实测数据进行二元 线性回归,得到乔后岩盐水力压裂计算破裂 孔压的经验公式为:1.30P,一0.27P. +15.98(MPa)(经验证回归性显着).由理论 准则(5)式所得的乔后岩盐破裂孔压表达式 为=1.36PH一0.32P.一0.68如.对比上 述两式可知:若以单轴抗拉乔后岩盐的极限 拉伸应变来衡量理论计算式中的n(即以乔 后岩盐的单轴抗拉强率ol作为衡量乔后岩盐 抵抗水力压裂的抗拉强度如),则实测回归 公式将比其理论计算公式所计算的破裂孔压 高出约14MPa的常数误差,这种水力压裂的 如大于的现象,在对其它种类岩石的水力 压裂实验研究的文献中均已发现,其机 理尚待进一步研究.对于乔后岩盐(参见图 3),若以单轴压缩试件刚出现纵向张拉宏观 可见裂缝时的横向拉应变(一般为80左右 处的舶)来表示衡量其抵抗水力压裂的 抗拉强度,则D如16.32MPa,与实测的l5. 98MPa数值相近.所以,本文建议用单轴压缩 岩盐试件刚出现宏观可见张拉裂缝时的横向 拉应变来衡量理论准则(5)式中的&. 4结语 现场岩盐水力压裂过程往往是很复杂 的.如果压裂段钻孔孔壁岩盐具有天然的或 人工切割的预裂缝,将会对破裂孔压和开裂 方位槌要影响,应采用断裂力学的方法研 究和认识这种情况下的水力压裂同题.本文 对于完好压裂钻孔的情况,用弹性力学和最 大拉应变强度理论以及等围压实验手段研究 ?l8?化工矿山技术1993芷 l3一?\ 用模糊规划证明期望放出体的合理性 盏一?je 北京科技大学’ /j 抽要文章采用模糊规捌的方法证明了期望放出体在放矿中的台理 性+从而使放矿这十复杂的过程 同时说明了如何在崩落法矿山利用期望体来解决实际生产中的放 矿问题. 一 期望放出体是苏宏志等人提出的一种矿空间范围钿的所有颗粒点 都有自己的达孔 放矿理论体系它的核心是矿石物料在放出 过程中,各个矿石颗粒在达孔量场的三维空 间中从放矿漏斗口流出.由于放矿过程受一 些复杂的随机因素的影响,使单个矿石颗粒 的达孔量为一不确定值,即是—个随机变量. 但是,在多次重复试验中,单个颗粒的达孔量 的变化又遵循一定的规律.达孔量场就是根 据这—规律确定的三维空间. 1颗粒在放矿过程中的达孔量及其遵循的 变化规律 在放矿空间范围内的某一个颗粒点,在 放矿过程中该颗粒点到达孔口时,从漏斗口 放出的矿石总量称为此颗粒的达孔量.在放 量.这样的一个放矿范围空间被定义为达孔 量场. 通过试验发现,同一位置的松散颗粒,在 多次重复试验中,其达孔量是不相同的.这是 因块度组成,颗粒表面形状,松散物料的密 度,粘结力,内摩擦角等因素的影响所造成 的.这些因素对于整个放矿过程的影响是不 均衡的,随机的,所以使松散颗粒的达孔量也 是随机的 根据参考文献[1]中的试验知,同一位 置上的松散颗粒的达孔量的变化,是遵循正 态分布规律的,如图1所示 了岩盐的水力压裂机理,其结果可为现场的 岩盐水力压裂提供参考. 5参考文献 1蜥LMK&wl崛DM耐岫时ttact~? iIAmImaMillEnsrs.210.153--168(1957) 2苏恺之.地虚力铡量方法.地震地质,1985.9 9是景敢事内孔加压三轴条件下岩石的破裂试验研犯 地震地质.1986,B(2) {冉撮宇辱水压致裂试验中岩石的破坏特性及判据.岩 石力学与工程,1986,5(1) Hydraulicfracturingmechanismof haliteatthree-dirnensionalstress? 勾louShiguangYangYukuiLuGuc~,heng (S/dm~dingMater~如鲥埘e) 丑la1Yongwu2~uangQianchen (~ongqlngUrdver~ty) Ah巾州口i嘧nfor恤时血fracturingth唧 is州锄tb础clfdty,maximum?上lsik蜘 ?r删htheoryequalmnl~entbxensuret??smdi 锄r鹪廿d凼m-otmd旧日fracturingbddK h砌Itgrovessuee~sfulhn?b- Keywor~I’I~ite.Hy~muUeh吨,&”tr~ang