研究压裂和Nonslab压裂注浆扩散机理

文摘

泥浆的耦合效应和破碎岩层控制空间裂缝通道宽度和灌浆压力的衰减的灌浆孔泥浆断裂扩散。本文全面考虑了影响因素如注入岩体的力学性能和浆液粘度的时变特征,介绍了断裂通道宽度的控制方程建立单处骨折nonslab压裂注浆模型。结合泥浆的运动规律和裂缝的扩展形式,泥浆扩散运动的方程,考虑裂缝几何和浆液粘度的时变特性,推导出。比较这个方程与现有的理论和实验,验证理论的正确性和可靠性。在这篇文章中,岩石弹性模量的影响,泥浆粘度、压裂注浆扩散法和灌浆速率的岩体进行了分析。指出在压裂注浆岩层深处,一个更大的初始灌浆速率和灌浆压力应该选择注浆产生的早期阶段或穿透岩层的骨折。同时,灌浆压力稳定的时候,适当的增加粘度,这样浆可以快速凝胶在骨折从而密封骨折。

1。介绍

自中国的煤炭开采深度逐渐增加到公里,灌浆的要求停止施工期间水垂直轴也变得更高(1,2]。深井施工扰动岩石特征如高地应力、微裂缝连通性差,和高孔隙水压力(3- - - - - -6]。根据传统灌浆方案在浅地层,很难有效地阻止钻井水。研究泥浆之间的流固耦合机理和岩石形成的微裂缝和压裂注浆法的分析和扩散深度微裂缝岩体为指导具有重要意义的设计深井煤矿灌浆和水阻断。

压裂注浆过程的结果泥浆流场的耦合和岩体应力场。在迁移过程中泥浆的抗断裂通道从双方及其粘度导致灌浆压力衰减沿断裂通道内的扩散半径。同时,断裂的衰减通道宽度的方向扩散半径结果不同抗性的通道侧壁泥浆在不同位置的扩散,从而影响水泥浆的流动。因此,注入岩体的力学特性、裂缝几何,浆液粘度的时变特征都是重要标准评价压裂效果的灌浆和灌浆设计相关参数。虽然国内外学者进行了大量的裂缝灌浆机理研究[7- - - - - -12),这些研究主要集中在土壤中压裂注浆理论,和由于缺乏全面的理解断裂机理和材料参数,尚不可能正确地预测或解释深埋地下的岩层的破裂压力。

目前,国内外学者进行了一系列的研究领域的压裂注浆。在国外,默多克(13)获得通过实验定性结论断裂几何;Bezuijen et al。14]分析了裂缝长度和厚度对裂缝延伸的影响基于单个压裂注浆模型;Gustafson和[前景并不乐观15)建立了灌浆迁移方程一个裂缝在恒压注浆基于宾汉流体的本构模型;默罕默德(16)通过模型试验研究了土壤注浆的注浆和观察CT扫描的泥浆扩散分布律;Kishida et al。17)用数值软件模拟一个裂缝的灌浆过程和在灌浆过程中研究了灌浆压力的变化。在中国,黄等。18]提出的方法诱导压裂注浆基于弹性力学的原理;王,李19]研究了泥浆在岩石裂缝的扩散规律,获得了灌浆压力和压裂扩散半径之间的方程,并进行了验证和分析,结合压裂注浆实验室仿真实验;太阳et al。20.)派生的宾汉流体泥浆压裂注浆的扩散规律的影响,讨论了泥浆时变灌浆扩散;Zhang et al。21)考虑界面应力的影响泥浆和土壤之间的耦合,研究了牛顿流体压裂注浆法;Zhang et al。22,23)还建立了单处骨折泥浆迁移方程基于时变泥浆粘度下的前辈。上面的研究有助于更好地理解压裂注浆的机理。然而,现有的灌浆骨折模型只研究泥浆扩散运动的泥浆在裂缝通道,和很少有研究考虑时变泥浆的粘度特性和裂缝延伸几何学。事实上,泥浆的运动和压裂裂缝的扩张同时进行。一方面,泥浆应遵循的运动,另一方面,浆液的扩散也应该跟着以及压裂裂缝的蔓延。

为了解决上述问题,nonslab压裂扩散模型建立了基于断裂力学理论和流体力学。结合泥浆的运动传播的压裂裂缝,断裂的运动方程对浆液扩散通道是派生的,和断裂的影响几何和泥浆粘度的时变特点考虑在内。并与现有的理论和测量结果,验证了理论的有效性和可靠性。基于已建立的理论模型,压裂岩石的泥浆层的扩散机理也研究,和影响因素,如弹性模量、粘度、和灌浆速率压裂和扩散的泥浆进行了分析,为设计提供了理论依据和优化灌浆在未来。

2。扩散模型的单处骨折Nonslab压裂注浆

研究表明,在压裂注浆过程中,泥浆的灌浆孔不扩散球或在列,但垂直分裂的灌浆孔。假设岩层中的最大和最小主应力水平和垂直,分别和灌浆压裂方向是水平的,如图1(一)。在灌浆过程中,由于电阻的泥浆的上下两侧断裂通道和自己的粘度,灌浆压力变弱和不均匀分布在断裂通道。同时,裂缝通道的宽度减少从灌浆孔泥浆压裂扩散,以及压裂裂缝的宽度为0的泥浆压裂扩散,如图1 (b)。因此,单处骨折nonslab压裂垂直压裂以及扩散模型建立了灌浆孔的侧壁。

2.1。基本假设

(1)浆是一种广义的宾汉流体,流型在泥浆的运动并没有改变,只有粘度随时间变化(2)注入的岩体是一个各向同性的弹性体(3)没有滑动的边界断裂通道(4)内的泥浆只存在断裂通道和流层流断裂通道(5)力的上下侧墙裂缝通道的对称轴垂直于裂缝通道(6)流在不同位置断裂是恒定的

2.2。裂缝扩展准则

2.2.1。压裂压力

压力灌浆孔如图1(一)。最大主应力的方向( )是水平和最小主应力的方向( )是垂直的。当在灌浆部分灌浆压力达到一定的临界值,灌浆孔会产生水平压裂的方向平行于最大主应力,形成横向断裂时灌浆压力(24] 在哪里是围压条件下岩石的抗拉强度,其值一般是2 - 3次纯抗拉强度值通过单轴直接拉伸法,和0.94的校正因子。

2.2.2。通道继续扩张

它可以从岩土力学应力条件下如图1(一),总法向应力(MPa)作用于微裂纹的外墙 在哪里 , ; 是静水压力(MPa), ; 是垂直有效应力;和侧压力系数。

当灌浆压力不均匀地分布在断裂的内部通道,根据水力裂缝扩张理论(25,26),它可以推导出应力强度因子是 在哪里 , 是墙沿裂缝灌浆压力分布;是光孔的半径部分,(因为它是与分裂相比相对较小的半径,这是被忽视的计算);和是盘式裂纹半径。

根据线弹性断裂力学[25),采用裂缝扩展标准 在哪里K_集成电路是注射材料的断裂韧性。

2.3。时空分布方程,泥浆粘度

考虑泥浆为宾汉流体,由于产生剪切力的存在,其粘度变化直接影响到泥浆扩散范围,及其粘度随时间27]。随着泥浆需要克服剪切力和时变塑性粘度,泥浆流变方程如下: 在哪里泥浆的剪切应力,是产生剪切力, 是剪切速率,灌浆时间。由于泥浆粘度时间函数主要是通过拟合试验数据,它的形式是不确定的,所以一般的函数形式用于表示viscosity-time关系。

如果泥浆只在径向方向上流动,浆的分割和扩散距离是 ,根据质量守恒定律,相应的时间是

值得注意的是,在下面的推导,有时表示为 。

当灌浆时间 ,时空分布方程的粘度泥浆扩散区对应 :

在方程(7),灌浆时间就被消除了。这是因为条件下灌浆速率恒定,泥浆粘度的时空分布是由空间位置,和灌浆时间影响浆液扩散半径。

2.4。控制方程的断裂通道宽度

在灌浆过程中,泥浆不断注入和裂缝不断扩大,裂缝的宽度沿断裂通道变化并逐渐减少。因此,裂缝形态的计算流体力学和断裂力学的耦合问题。根据文献[28),如果根是0和中心裂纹 - - - - - -建立轴沿裂缝方向,距离裂缝的宽度可以被定义为从原点

可以看出形态方程在任何时间裂缝延伸过程中是恒定的。几何模型如图2。也就是说,有一个恒定的对应关系断裂长度和宽度,裂缝宽度在灌浆孔可以表示为 。

2.5。控制方程的泥浆压裂和扩散

根据基本假设(5),一个直角坐标系如图3建立了垂直轴通过灌浆孔和裂缝通道的对称中心作为坐标轴。

以浆液性静脉中心为对称轴的泥浆微体受力分析,忽略了泥浆的自重,从平衡条件,可以获得剪切应力分布(29日] 在哪里微体的长度,剪切应力,是泥浆压力,是泥浆压力体积。

广义宾汉体运动可分为两个部分:核心区域的整体运动流和剪切区域的相对运动。通过力平衡分析单元体和替换的边界条件: 和 ,泥浆的速度分布的方向断裂厚度可以获得

根据积分公式 ,忽略了高阶小条款,平均速度的泥浆可以简化为断裂表面

它可以从质量守恒定律,在灌浆过程中,泥浆在任何单位流量的扩散部分断裂通道内等于灌浆速率在灌浆孔

同时实现(11)和(12)、泥浆的压力梯度在断裂通道获得:

从文献[22),泥浆的粘度变化材料可以安装以下函数法: 在哪里是一个时变参数的粘度。

同时实现(13)和(14),

(8)代入(15)和引入边界条件: , ,空间分布裂缝通道内的泥浆压力方程可以获得

用(2)和(16)到(3),时变压裂注浆浆液的扩散方程基于裂缝压裂歧视条件( )是

3所示。验证

以前,当压裂注浆机理的分析,他们往往忽略了裂缝宽度的变化,认为裂缝宽度是一个恒定值,当分析灌浆压力的影响因素对压裂扩散距离,灌浆压力的区别(压力灌浆孔-岩石裂缝开裂压力)被用来作为一个变量。注浆压力差之间的关系和压裂扩散距离是(29日]:

然而,在现场试验、灌浆压力仍是研究对象,因此,确定压裂压力尤为重要。当太阳et al。30.]研究了压裂注浆机制,他们相信远场应力可以消除和持续发展只有当断裂通道内的灌浆压力大于最小主应力的总和和抗拉强度注入岩体。

用方程(13泥浆粘度)和(19)方程(18),泥浆压裂注浆扩散方程,忽略了半径灌浆孔和时变粘度浆自重获得的如下:

为了比较和分析压裂扩散法的两个理论,Peili的现场试验31日)是用于验证理论。

Peili [31日)选择三个代表测试点灌浆工程的灌浆和压裂测试Nantiao塔煤矿、弹性模量在测试区域是4 GPa,抗拉强度4.56 MPa,产生剪切力吗3.19 Pa,灌浆速率 毫升/秒,断裂韧性1.2 MPa。米^0.5。灌浆浆是1:1水泥浆,最大主应力在灌浆区为1.8 MPa,最小主应力是0.8 MPa。每个测试点的裂缝延伸长度是0.4米,1.8米和2.6米。现场测量的灌浆压力2.1 MPa, 1.2 MPa,和0.8 MPa,分别;方程(17)和(20.)被用来计算三个案例的灌浆压力,如表所示1。

从表可以看出1,(1)断裂的时间越长,灌浆压力越小。因为测试使用1:1水泥浆,时变粘度不明显,粘度系数尚未发挥了主导作用。关于水力压裂理论,它可以知道断裂的时间越长,灌浆压力越小(2)相比之下,本文的理论计算表明,灌浆压力的三个测试点接近实际测量值,但略高于测量值。这是由于理论推导假设泥浆内只存在裂缝通道,不考虑其他因素的影响,如两边的一部分泥浆的渗透压裂的裂缝扩散,但错误仍在允许范围内的项目(3)与本文的理论价值相比,理论价值从传统压裂注浆理论获得测量值有很大偏差。这是因为岩石的强度高。判断裂缝是否压裂和扩大在灌浆压力下,岩石弹性模量的影响在压裂扩张和灌浆压力的不均匀分布在断裂通道不容忽视,随着裂缝长度的变化,压裂压力往往是不断变化的,而不是一个固定值。因此,本文压裂注浆理论更适用于压裂注浆岩层比传统的压裂注浆理论,可以有效地指导压裂注浆的设计与施工

4所示。压裂注浆扩散定律岩层及其影响因素

基于上述理论模型,本节分析了压裂注浆法和扩散及其影响因素。灌浆压裂扩张半径的大小取决于灌浆压力。用相关的参数对压裂注浆控制方程(17),我们可以得到灌浆压力的变化曲线与浆液扩散半径 。的基本参数值如下:有效应力 , ,侧压力系数 ,弹性模量 ,断裂韧性 , ,水泥、水玻璃浆浆( ),灌浆速率 L / min。根据不同水泥浆的粘度之间的关系和水玻璃浆体积比泥浆随着时间的推移,改装的关系如表所示2。水泥、水玻璃浆粘度的曲线随着时间安装,如图4。

灌浆压力控制浆液扩散半径的大小。当相关的参数替换到时变泥浆压裂扩散方程,曲线的关系(图的影响下形成的因素5)和曲线的关系的影响下灌浆参数因素(数字6和7)可以获得。

分析数据5- - - - - -7显示如下:(1)与传统的渗透注浆理论相比,压裂注浆压力的理论价值非常大。这是因为分裂灌浆不仅要克服阻力造成的泥浆本身的粘度也克服岩石初始化所需的压力。然而,在实际注浆工程中,由于大量的天然关节,骨折,床上用品,和其他结构分布在岩层,灌浆压力通常不能达到理论计算值(2)在压裂注浆的初始阶段,塑性粘度泥浆与不同比例很小的压裂裂缝是短暂的。为了继续压裂扩张,必须积累更大的灌浆压力。解理扩展到1米时,砂浆的塑性粘度随时间逐渐增加,因此所需的压力逐渐增加。它还可以看到从理论公式增加, 词迅速下降,然后,粘度控制项 起主要控制作用。因此,所需的注浆压力将略有降低,然后增加随着裂缝继续扩展(3)在相同条件下浆液扩散半径 ,灌浆压力岩体弹性模量成正比吗泥浆粘度。例如,当注浆扩散半径 米,注入岩体的弹性模量增加GPa从20到50 GPa和相应的灌浆压力从21.08 MPa提高到48.15 MPa;相应的C: S 3: 1、2: 1和1:1 60.79 MPa, 46.42 MPa,分别和31.32 MPa。可以看出,注入岩体的弹性模量越大,压裂注浆过程中遇到的阻力越高,裂缝延伸的更困难。此外,泥浆的粘度越大,泥浆的粘性阻力越大遇到在流动过程中,灌浆压力越大要求达到预定的压裂扩散半径(4)在相同条件下浆液扩散半径 ,灌浆压力灌浆速率成反比 。当压裂扩散半径小,所需的注浆压力对灌浆速率的变化不敏感 。当压裂扩散半径较大,所需的灌浆压力裂缝继续大幅增加,但灌浆速率越大,越慢灌浆压力增加

根据上述分析,岩石的弹性模量,浆液粘度的时变特征,灌浆速率的主要影响因素是控制压裂注浆。在灌浆初期,砂浆的塑性粘度相对较低。灌浆压力、灌浆速率的主要控制因素是灌浆浆和传播范围,增加灌浆速率可显著提高灌浆范围。泥浆粘度超过一定范围时,粘度成为浆液扩散范围的主要控制因素。因此,在设计和选择的灌浆参数,应该综合考虑地层因素,和大量的初始灌浆速率和灌浆压力应选择在灌浆的早期阶段,所以可以生成或渗透岩层裂缝。当灌浆压力是稳定的,而浆充分分散在骨折,泥浆的粘度增加,泥浆的固化反应速率增加,和泥浆形成阻塞身体断裂。

5。结论

(1)结合泥浆的运动与压裂裂缝的扩张,考虑到各种机械因素如岩层的力学性能和时变特征的浆液粘度、压裂注浆扩散的理论模型考虑到断裂的空间衰减通道宽度已经建立。压裂注浆扩散方程考虑固耦合也推导和验证实验(2)考虑到浆液粘度的时变特征,主要影响因素对压裂注浆和扩散的影响在岩层岩石弹性模量、泥浆粘度和灌浆速率。注入岩体的弹性模量越大,越高的电阻压裂注浆和裂缝扩展越困难。在灌浆初期,砂浆的塑性粘度很低。灌浆压力、灌浆速率的主要控制因素是压裂和传播范围的泥浆。当灌浆达到一定的粘度值,粘度变成了泥浆扩散范围的主要控制因素(3)基于流固耦合的灌浆和岩石裂缝的特点,为了满足压裂灌浆的要求在地层深处,大的起始灌浆速率和灌浆压力应选择在灌浆的早期阶段,所以骨折或渗透岩层生成。当灌浆压力是稳定的,而浆充分分散在骨折,泥浆的粘度增加,泥浆的固化反应速率也增加,和泥浆形成阻塞身体断裂

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家重点研究和发展项目(2016 yfc0600902)。

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