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分享论文Microseismic Magnitudes b-Values for Hydraulic Frac: jjczhang 2017-8-19 10:24; 我们用微地震观测到有趣的水力压裂结果，与同行分享： Microseismic Magnitudes and b-Values for Delineating Hydraulic Fracturing and Depletion_SPE_Journal_SPE-186096 1. 加密井的裂缝向生产井方向单翼扩展。 2. b值可以描述生产井的裂缝分布区(depletion)。 3. Depletion markedly reduces min. stress. 详见附件： Microseismic Magnitudes and b-Values for Delineating Hydraulic Fracturing and De.pdf; 3040 次阅读|0 个评论

我们发表的一篇水力压裂，微震与stress shadow的短文: jjczhang 2015-10-13 05:21; 我们刚刚在AOGR杂志上发表的一篇页岩油水力压裂，微震与stress shadow方面的短文。若有兴趣，请见附件，或见网页： stress shadowing_American Oil Gas Reporter 9_2015.pdf http://www.aogr.com/magazine/frac-facts/stress-shadowing-effect-key-to-optimizing-spacing-of-multistage-fracture; 3447 次阅读|0 个评论

什么是页岩气？压裂法如何工作？: WileyChina 2015-6-12 15:58; 在美国的许多地方，像是北达科他、德克萨斯和蒙大拿州，你都可以感受到页岩气的热潮。美国是页岩气最大的生产国，2000年到2010年的十年间，页岩气占天然气生产比例从2%上升至23%，并且预计会持续增长。那么，水力压裂和水平钻井是如何经济且方便地获取页岩气的呢？页岩气页岩由泥浆淤泥、粘土和有机物质形成，是沉积岩的一种。页岩气蕴藏在页岩地层内的微小孔隙中，它是一种烃气体混合物，主要成分是甲烷。其它成分有乙烷，丙烷和丁烷等天然气液体（天然气凝析液），和少量二氧化碳，氮和硫化氢。水平钻井和水力压裂法水平钻井的钻头可达垂直数千米（通常6000米）的深度，并可实现90°转向，进行水平钻孔。这让一个钻井操作多个目标区成为可能。同时该设备极大地提高了可采储量，也使得生产效率显著增加。水力压裂可使页岩层断裂以释放气体。压裂液在高压下（约100巴）会被泵入钻杆，从而加宽旧裂缝，形成新的裂缝。流体主要包含水，和占比在0.5-2%的石英砂和3到12种化学物质。而确切的物质组合只有钻井公司知道。每口井需要大约7-15百万升水。井中的砂用来保持裂缝敞开以提高天然气的可萃取量。其余的每种化学物都有各自的作用：凝胶或丁基二甘醇（通常为0.2升/吨）可增加压裂流体的粘度，以更好地输送砂；发泡剂例如CO2和N2也用于砂的输送；杀生物剂可防止细菌在有机组分里生长；盐酸，乙酸，甲酸或硼酸用来瓦解岩层的矿物；和酸同时加入的防腐剂用于保护现场。约50-70％的水溶液会被回收，剩余的留在岩层中。回收的水已经被岩层的化学物质和盐污染，它要么会被运输要么会被当场处理。页岩气可以用来做什么？ Cracking 是指分离化石燃料，如天然气和石油的大烃链。石脑油的价格和原油价格相关，由全球供求关系决定。而天然气价格区域差异更大。我们都知道，乙烯是化学工业中最广泛使用的有机化合物。在美国，85％以上的乙烯产自天然气；而在西欧，70％以上的乙烯来自石脑油等轻质蒸馏油产品。因此，成本较低的天然气已经使美国的化工行业受益。在美国，生产1吨乙烯的成本为300美元，在亚洲，它的成本为1717美元，在沙特阿拉伯是455美元。忧虑对环境的忧虑有很多，首先是大量水的使用以及污染后的水对岩层的腐蚀破坏。另外，酸性水被使用时，用于保护地下水的水泥随时可能被腐蚀，从而产生泄露。氡和汞气体以及其它地下材料，如铅或砷等，也都有从页岩层泄漏出来的可能。同样不能被排除在外的是，岩层裂隙中离地面较近的岩石可能造成地面突起。小型地震，也称诱发地震，可能导致岩层受力平衡的破坏。还有一些关于能源政治的担忧，我们担心炒作会改变人们的认知，以为页岩气只是一种过渡，而不能成为替代燃料。页岩气中含有甲烷，它是天然气的主要成分，并且是一种破坏性强的温室气体。然而现在，页岩气对气候的影响我们还知之甚少。 Author: Vera Köster Published Date: 05 二月 2013 Copyright: Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA 文章翻译自： http://www.chemistryviews.org 点击查看英文原文了解更多： http://www.chemistryviews.org/details/education/1316813/What_is_Shale_Gas_How_Does_Fracking_Work.html; 个人分类: Social Scence and Humanities|4 次阅读|0 个评论

[转载]德国之声：压力出奇迹？: wukeli 2014-2-16 05:45; 德国之声经济纵横 05.02.2014压力出奇迹？美国希望凭借“水力压裂”重振经济。但这种新技术的运用并不太可能停止中国快速追赶的脚步。（德国之声中文网）如果美国是一个上市公司，那些愿意投机的投资者在过去的几年中其实可以买入一些美国的股票。当然，（美国）目前的经济数据相当糟糕。其大约1.3万亿创纪录的债务额看上去并不怎么样。中国是美国最大的债权方。此外美国的失业率也是居高不下。但是，股市所看重的不是当下，而是未来。关于未来，政治家们又准备好了讲述一个振奋人心的故事，这也许能够阻止中国不顾一切的迎头赶上。其中的魔术词就叫做：水力压裂。这是一种利用水和化学物质在高压状态下从页岩层提取天然气或石油的技术。美国拥有丰富的页岩层资源。其支持者的设想是，美国通过出兵中东来获取石油补给的做法将成为历史。不仅如此：到时候如此低廉的能源价格会吸引全世界大批企业纷纷涌入美国，在这里制造产品。美国政界人士将此称为扭转乾坤者，也可以说是历史中惊人的转折点，这能够让美国在各个方面重新获得领先的优势。美国天花乱坠的承诺奥巴马对国家未来信心满满哪怕是世界第二大经济体中国也会被甩在背后好几十年。美国总统奥巴马最近甚至在发表国情咨文时承诺，今年最能吸引境外投资的国家不再是中国，而是美国。他表示，美国经济已经为21世纪的到来作好了最充分的准备。现在再返回来说那个股市的例子：如果一家上市企业老板突然将承诺及远景说得天花乱坠，那这对于股民来说就是全身而退的时候了。美国的情况愈加说明：不是所有听上去不错的想法都能躲过被竞争者赶超的命运。事实是：（美国）多次重振国力的尝试最后都遭遇了巨大阻力。而且，那些不愿意在中国投资，更愿意在美国投资的企业究竟从何而来，目前还依旧是个谜。偏偏是众人叫好的水力压裂行业要面对这个残酷的现实。各大跨国企业看上去已经对美国的水力压裂提不起兴趣。最新公布的数据表明，投资方2013年对美国水力压裂行业的总投资额只有34亿美元。而这一行业2012年的投资额还曾经是70亿美元。2011年，各大企业在这个新兴工业领域的投资甚至一度达到350亿美元的规模。人们对水力压裂的兴趣逐渐丧失的原因当然包括许多企业已经占领市场。所以全球市场页岩气的价格也在过去的几年中降低了一半，这也让投资方望而却步。但更重要的是：竞争对手没有掉以轻心。中国迎头赶上虽然是美国人发明了提取页岩气的技术。但这并不意味着其它国家无法对其加以利用。中国是这个领域的领头羊之一。国际评估数据显示，中国是全世界页岩气资源最丰富的国家。当然，美国在开采技术方面拥有领先优势。但也要和其它行业一样面对一个古老的问题：中国何时就能在技术上赶上来？中国国有石油企业已经开始在美国并购拥有水力压裂经验的企业。中国计划到2015年之前开采65亿立方米的页岩气。到了2020年，总开采量还将达到每年1000亿立方米的规模。虽然美国2011年的开采量就已经达到了1700亿立方米，但中国正在迎头赶上：仅去年一年的页岩气开采量就已经是之前一年的7倍。美国抗议水力压裂开采的民众所以，这将是一场激烈的角逐。中国为此必须以市场份额换取西方的技术。而且这一次的进展看上去也相当顺利。美国石油康采恩埃克森已经受任和中国石化集团共同在中国开采页岩气。而且还有一个重要的原因能解释为什么其他开采企业在中国市场会以更快速度、更强的力度运用手中的技术。必须要说，很可惜的是中国民众对环境问题的考虑比美国民众更少。中国目前没有法律法规保护地下水不受水力压裂的污染。这种技术对水的需求量是常规开采技术的10倍。所以，在美国已经形成了一股强大的反对运动，想法设法限制这个行业在美国的发展。鉴于这种情况，也就不能说水力压裂是中美竞争中的扭转乾坤者。作者简介：弗朗克 · 泽林 (Frank Sieren) 是德国之声中国特派记者，畅销书《金权中国》（ Geldmacht China ）的作者。他是德国最知名的中国问题专家之一，从 20 年前开始生活在北京。编译：任琛责编：张筠青 DW.DE 美联储与中国为美国政府最大债主 (17.10.2013) 美国债务危机自10月初以来，美国几乎上百万联邦公务员不得不呆在家中，还有同样数量的人在做着没有任何报酬的工作。他们什么时候能够领到工资，目前还是一个未知数。 (16.10.2013) 奥巴马国情咨文：美国经济为重关塔纳摩今年关闭 (29.01.2014) 中海油收购美国油气公司股份中国海洋石油总公司(CNOOC，简称中海油)下属的中国海洋石油有限公司出资近11亿美元，购得美国切萨皮克能源公司(Chesapeake)三分之一股份。这是中国能源巨头公司2005年竞购美国公司失利后再次尝试进入美国能源市场。 (13.10.2010) 日期 05.02.2014; 个人分类: 政治与新闻|1412 次阅读|0 个评论

[转载]页岩气：超临界二氧化碳开发有望代替水力压裂(摘自中国能源报）: jikun 2013-1-31 21:41; 随着页岩气开发热潮的兴起，“水力压裂”这个原本专业性很强的术语也变得耳熟能详。虽然水力压裂技术已广泛应用于常规油气开采，但如何将该技术应用于吸附气比重极大的页岩气、提高单井产量，仍是挡在页岩气“美好前景”面前的一道门槛。　　不仅如此，在环保主义者眼中，水力压裂不但浪费水资源，还会污染地下水，改变地应力诱发地震……在水资源匮乏、生态环境脆弱的中国，若要实现页岩气的大范围开采，必须考虑并规避水力压裂可能带来的风险。　　2004年，中国工程院院士、中国石油大学教授沈忠厚提出用超临界二氧化碳代替水做压裂液。当温度超过31.1摄氏度，压力超过7.38兆帕，二氧化碳气体就变成超临界态。超临界二氧化碳拥有的神奇特性——密度接近于水；粘度非常低，接近于气体；表面张力接近于零——几乎可以解决水力压裂带来的所有难题。近日，沈忠厚院士的秘书、中国石油大学油气井工程专业博士后王海柱向记者介绍了超临界二氧化碳开采页岩气的大胆设想和研究进展，为页岩气开发提供了一种新的可能。　　中国能源报：和常规油气相比，页岩气的储层和开发有什么特点？　　王海柱：常规油气多是在裂缝、孔隙中，处于游离状态，吸附含量非常少，很容易就能开采出来。而页岩气80%或更高则吸附于岩石颗粒和有机质表面，不解析采不出来。剩下的少量处于游离状态(贮存于孔隙裂缝中)和溶解状态(溶解在地层水和液态烃中)。　　页岩气开发过程中，只有很少一部分游离气先被开发出来。游离气出完之后，剩下的吸附气或溶解气采出速度很慢。所以打井之后头一年产量很高，但递减的非常快，之后就是一段稳定期，一般页岩气井能采二三十年或更长时间。四川有的井头一年产量高达几万方或十几万方，稳定之后一天就几千方，这个特点决定了页岩气的投资回收期很长。　　页岩气吸附量受有机碳含量、粘土矿物含量、地层压力和温度等多个因素的影响。其中粘土对吸附气的影响很大。页岩的百分之四十到五十是粒径为5-63微米的粘土颗粒。颗粒越小，比表面积(表面积相对于体积的比值——编者注)越大，甲烷的吸附含量越高。所以粘土含量越高，每吨岩石的含气量越大，开发价值就越高。　　但这就出现了一个问题。页岩的孔隙很小，粘土遇水一膨胀就完全堵死了流通通道，气也出不来了。美国人在水力压裂的水中加入防膨剂等很多药剂，不但造成污染，而且无法从根本上避免膨胀。现在加拿大美国有研究用LNG或液态的烃类物质压裂，但成本很高。此外，单口井压裂需要1-2万方水，水资源对我们国家来说也是非常大的负担。　　中国能源报：所以你们开始探索新的压裂手段？　　王海柱：对，早在2000年，美国tempress公司做了先导性的超临界二氧化碳射流破岩实验，效果非常好，破岩门限压力(使岩石破碎的最小喷射压力——编者注)远远小于水的破岩门限压力。这样可以大幅提高钻井速度，对于钻井的意义非常大。　　当温度超过31.1摄氏度，压力超过7.38兆帕，二氧化碳气体就变成超临界态。超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性——密度接近于水，能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强；黏度非常低，接近于气体，易流动、摩阻系数低；扩散系数大于液体，传热、传质性能良好；表面张力接近于零，可进入到任何大于超临界流体分子的空间。　　后来我们为了验证结论，开始做实验，发现效果非常好。超临界二氧化碳进行破岩实验的时候测得了两个岩样的压力，我们在花岗岩中，用水的破岩压力是75兆帕，超临界二氧化碳是50兆帕，仅为水的67%，在页岩中，水的破岩是124兆帕，超临界二氧化碳压力是55兆帕，只是水的44%。　　其实常规二氧化碳驱油已经被应用在油田开采中，在吉林油田取得了良好的效果。2004年，沈忠厚院士提出用超临界二氧化碳钻井、完井、采油、压裂、增产最后埋存的一体化的成套技术。目前沈院士带领我们十几人的团队主要在做基础理论工作，并逐渐把理论转化为技术。我们做了一些实验，也申请了几项专利，钻井效果肯定没有问题，开发方面正在做机理研究。目前这个项目已被列为国家自然基金重点项目，也和中石油有合作，但要想实现完全商业化的应用，可能还需要几年时间。　　中国能源报：除了提高钻井速度，超临界二氧化碳还有什么优势？　　王海柱：超临界二氧化碳钻井速度快是毋庸置疑的，而且对储层没有伤害。常规水力压裂水进入页岩层中，粘土膨胀，除了堵塞孔隙，膨胀的粘土还会造成井壁垮塌，把钻杆和钻头等井下工具埋在井下。之前西南石油大学的陈平教授也讲到，钻井过程中井壁垮塌严重是制约页岩气井长水平段钻井的主要技术难点。所以既要选择环保的开采方式，还要对钻井安全有利、保护储层。超临界二氧化碳不含固相颗粒也不含水，对储层没有任何污染。　　储层有一些小的裂缝，常规压裂液是进不去的。但超临界二氧化碳黏度低，更容易沟通细小的裂隙，同时更容易在页岩层中压出多而复杂的微裂缝，提高单井产量和采收率。　　超临界二氧化碳流体的密度非常大，溶剂化能力非常强，可以溶解我们近井地带重油组分，为输送通道减少油气阻力。其次还可以使粘土矿物脱水，脱水之后粘土矿物颗粒会变小，可以增大孔隙和渗透率。其表面张力几乎为零，能够进入很细小的孔隙，可以高效置换甲烷。二氧化碳与页岩层的吸附能力要远远大于甲烷与页岩层的吸附能力。利用这个特点，我们可以将超临界二氧化碳注入储层中，用它替换储层中的甲烷。这么做有两个好处，一是提高单井产量，二是超临界二氧化碳可以埋存在地下，避免温室效应。　　中国能源报：超临界二氧化碳容易获得吗？和水力压裂相比经济性如何？　　王海柱：大家经常问气源是否经济划算，我国近几年二氧化碳年产量在六百万吨左右，主要来源是电厂、钢厂等工业废气回收。只有15%左右来自气田开采。现在在页岩气富集地区如四川、贵州、重庆都有二氧化碳回收企业，有条件实施超临界二氧化碳开采。　　目前我国二氧化碳的回收量是排放量的冰山一角，大量的二氧化碳没有被回收利用，其中一个主要原因是回收的二氧化碳没有市场，直接埋存又没有经济价值，无法刺激回收企业的积极性。如果以后能成功应用于页岩气井的压裂开采，那将是很大的一个市场，不仅能够促进二氧化碳回收行业的快速发展，还能在提高页岩气产量的同时将二氧化碳埋存在地下，实现减排增效，实现化石能源的绿色开发。　　目前市场上二氧化碳价格在200到500元每吨(纯度99.9%以上)，水力压裂的压裂液每方在700到1000元左右。虽然二氧化碳还存在运输问题，但相信随着二氧化碳回收行业的发展，价格会逐渐下降。　　中国能源报：再先进的技术也不是完美的，超临界二氧化碳压裂存在的最大问题是什么？　　王海柱：超临界二氧化碳非常容易穿透，经常用于萃取药物中的有用物质。现在用的井下马达、螺杆钻具很多都是橡胶的，大分子的橡胶很容易被穿透，随着压力不断波动，橡胶就会胀开失效，所以普通的螺杆钻具无法适用这项技术，还需要研究特殊的配套设备。　　另外超临界二氧化碳需要降温、液化之后才能加压，所以地面需要降温装置，这都是常规钻井不具备的。井口设备是不是适应低温高压作业？低温下钢材有一定的脆性，地层含水，二氧化碳遇水会形成碳酸，对钢材\钻具有腐蚀作用，在一定条件下也有可能形成水合物，对正常施工造成影响；超临界二氧化碳粘度很低，如何实现加砂压裂？此外，它的滤失性也比水基压裂液强。要把理论成果转化到实际，必须有相应的配套设备与技术才能实现。; 2043 次阅读|0 个评论

我的本科毕业论文: jjsun123 2009-8-22 21:23; 摘要岩体注水致裂过程是指岩体在孔隙水压力驱动下微裂纹萌生、扩展和贯通，直到最后宏观裂纹产生的过程，又称为水力压裂。岩体水力压裂技术在很多的工程领域都有重要应用，诸如石油天然气开采、地应力测量和核废料处理等领域。研究岩体水力压裂，不仅有利于我们清楚地认识岩体水压致裂发生的机理，而且也有利于我们研究和解决诸如上述的很多工程问题。由于天然岩体材质的随机性，以及岩体中原有裂隙和孔洞等因素的影响，使得孔隙水压作用下岩体破裂裂纹的起裂和扩展过程十分复杂。使用经典的水力压裂研究方法解决水力压裂裂纹起裂和扩展问题是很难达到符合实际的解答的，因为经典方法均假设岩体材质是均质各向同性的。本文使用 FEPG 模拟了材质（模型中主要即为弹性模量）随机分布的岩体水力压裂过程，分析总结了裂纹起裂和扩展的规律，并与经典水力压裂的研究结果进行了比较，为非均质岩体中的水力压裂工艺提供了一些参考依据。关键词：岩体；水力压裂；裂纹扩展；流固耦合；数值模拟附：研究现状概述，地下岩体渗流是自然界中常见的现象，尤其是在石油和天然气开采、水利水电、采矿和港口建设等工程中更是普遍。所谓渗流就是流体通过多孔介质的流动。在流体流过岩体等多孔介质时，由于流体施加于与之相接触的岩体骨架上的静压力和动压力会使得岩体发生变形，同时岩体的变形也会影响流体的流动状态，即渗流场和应力场是互相作用、互相耦合在一起的，最终这两种相互作用将达到一种动平衡状态，此即所谓的流固耦合现象。基于地下岩体渗流理论和岩石水力学中流固耦合作用的理论基础以及提高石油、天然气等地下能源采收率等工程需求的推动，在十九世纪四十年代美国一些专家首先提出了用于提高低渗透油气层渗透性能的水力压裂技术。所谓水力压裂就是使用特制的压裂液（包括水等流体），在高排量、高泵压下注入岩层以水力尖劈地层，使岩层破裂产生新的裂缝（裂纹）或使岩层原有裂缝张开，并延伸裂缝的工程技术。由定义描述可知水力压裂也是一种地下岩体渗流问题，其特殊性是在于必须时刻考虑渗流过程中的岩体变形等动态特性。水力压裂技术应用于石油天然气工业，对于提高油气产量和低渗透油层的产油能力做出了有意义的贡献，取得了巨大的经济和社会效益。 1947 年 7 月在美国肯萨斯修斯顿天然气田进行了第一次水力压裂增产作业，至 1988 年，美国的水力压裂作业总数量发展至 100 万井次以上，美国石油储量的（ 25-30 ） % 是通过压裂增产达到经济开采条件的。现在，水力压裂技术已经成为油气田应用最为广泛的增产方法。在我国，水力压裂技术也已开始应用。水力压裂技术近年来也被引入了环境保护科学领域，其基本思路是：在地下深部不易渗透的岩层之间存在薄弱的岩体，如夹在两层页岩之间的砂岩，用水力压裂法将会产生大量裂纹系而形成水力压裂带。这些由不易渗透岩层包围着的破裂带构成了理想的地下储存库。将石油或其他生产过程中的固态和液态废物，如污染的泥沙和废液，回灌到地下深部储藏起来，以减轻对地面的污染而达到保护环境的目的。随着科学技术的不断进步，水力压裂除应用于石油天然气工业和污染物处置等领域外，水力压裂也应用于地应力测量、煤层气开发等极为广泛的工程中。虽然上述各个领域使用水力压裂技术的具体工艺相差很大，但是它们却都有一些共同的目的，比如要清楚地掌握岩体在孔隙水压力作用下的破坏规律，水力压裂破裂带扩展的动态过程以及破裂带空间趋向（裂缝延伸规律）和集合形态，并且能在一定程度上控制裂纹的扩展方向等等。所以研究岩体注水致裂过程不但有利于清楚地认识水力压裂过程中岩石破坏失稳规律，分析渗流、应力耦合作用的机制，在理论上推动岩石水力学和变形介质渗流理论的发展，同时也可以解决上述的很多工程实际问题。所以研究注水致裂时岩体破坏原理和裂纹扩展规律是许多工程学科面临的前沿课题。在岩体水力压裂过程中，由于我们面对的是天然条件下含有大量裂纹、孔洞等原始缺陷的复杂材料，所以在水力压裂时岩体在孔隙水压力作用下的破坏大多要受控于原有的孔微裂纹等结构，岩体的破坏过程实际上就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，导致破裂失稳的过程。另一方面是由于岩体材料严重的随机非均质性和原始地应力的影响，使得孔隙水压作用下的岩体破裂过程十分复杂。这就使得我们很难用一些经典的固体力学理论及解析解法获得比较接近实际情况的水力压裂规律。比如使用断裂力学理论就难以描述岩石内部孔隙结构 ( 分布缺陷 ) 的复杂性及其在水压作用下裂纹 ( 奇异缺陷 ) 扩展过程的关系；而损伤力学研究材料中微缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响。以断裂力学或者损伤力学为基础的方法和模型均忽略了岩石材料性质分布的随机性。 Weibull 在 1939 年提出了材料脆性破坏强度统计理论，并在此基础上发展形成了概率断裂力学，从某种程度上弥补了断裂力学的不足。总而言之，用经典方法来研究岩体注水致裂裂纹产生和扩展规律时都存在不同程度的局限性 , 尤其是经典理论很难解决岩体材质随机分布情况下的水力压裂问题，而材质分布的随机性却正是天然岩体的一个很主要特点。这就是理论解答与工程实际之间的矛盾。要得到比较结合实际的理论解答就必须考虑岩体材质分布的随机性！这样才可能为复杂地质情况下的水力压裂问题提供一定的理论参考依据，取得一定的经济和社会效益，而不至于得不偿失。如果能在流固耦合的思想指导下使用适当的数值模拟方法动态模拟岩体水力压裂的裂纹起裂和扩展规律 , 就有可能在一定程度上取得与实际情况相符合的结论。作者也正是在这个思想的启发下，选择了石油、天然气开采等工业中比较普遍使用的水力压裂技术，使用 FEPG 软件对岩体水力压裂裂纹的起裂、扩展和延伸规律进行一定的模拟研究，以期得到一些岩体材质随机分布的水力压裂裂纹起裂、扩展和延伸的规律，弥补经典方法的不足，为水力压裂工艺提供一些理论参考依据。水力压裂理论和技术从提出到现在已经有五十多年的历史了，在研究水力压裂的力学原理和裂纹扩展的规律时，开始均是使用岩石力学、弹性力学、渗流力学和断裂力学等力学知识进行岩体力学强度的计算和破坏判断。随着各门学科的发展和人类对客观事物本质的更深认识，解决水力压裂问题的方法也有了很大进步。就数学力学解析方法研究来说，目前国内外研究水力压裂的思想均是在岩石水力学的指导下，用流固耦合的思想研究裂纹的扩展，研究的内容包括岩体渗流规律的研究、流体流动对岩体物理力学性质和本构关系影响的研究，并且适当考虑裂纹扩展的动态过程，在数学力学模型中引进时间变量；而就具体的研究方法来说，一般是沿着现场观测、模型实验和理论分析相结合的思路，进行综合的研究，相互验证和相互补充，同时开展数值模拟研究。就数值模拟岩体注水致裂裂纹扩展来说，国内外也提出了很多的数值模拟方法。目前岩土力学界使用最普遍的仍然是有限元数值分析方法，水力压裂研究中也不例外。有限元方法是在连续介质的基础上基于变分原理和分区插值的离散化方法求解实际问题的，虽然实际的岩体材料都是非连续的，但是后来发展的特殊的节理单元（如 Goodman 单元）来模拟节理等不连续面、用节点分离技术模拟断层单元上下面位移的不协调、用增量法和直接迭代法以及 New-Raphson （简称 N-R 方法）等方法来处理材料非线性问题，使得有限元方法始终保持着活力。但是由于各种有限元软件具体的数值模拟方法的不同或者所采用（假设）的力学模型的不同，所以也出现了一些不符合工程实际的现象。在有限元的数值分析中 , 一般使用加密网格模拟细观岩体结构的开裂，历史上曾提出了多种宏观断裂模型 : 分离裂缝模型 (Discrete Crack Model) 、分布裂缝模型 (Smeared Crack Model) 和内嵌单元裂缝法 (Element-embedded Crack Approach) 来模拟岩体、混凝土受拉开裂后所形成的裂缝。分离裂缝模型认为裂缝在相邻单元的边界面上形成，并在裂缝两边的单元引入各自的节点。分布裂缝模型假定裂缝在单元内部形成，当单元达到开裂条件后，就在垂直于主拉应力的方向产生裂缝。 Hiller 提出 Fictitious Crack Model ，（简称 FCM ），该模型属于分离型裂缝模型的范畴，它不适合在复杂应力状态下裂纹的萌生和扩展，而且很难处理多裂纹的扩展问题。 Bazant 提出钝裂缝带模型 (Blunt Crack Band Model) ，该模型属于分布型裂缝模型的范畴，能够研究平面问题中的断裂问题。这两个模型较好地反映了端部裂纹区的应变局部化和应变软化特征，一般只能用数值方法来求解。由于该模型没有考虑岩石的非均匀性，也就是说没有考虑到天然岩体材质分布的随机性，所以它们只能模拟已有裂纹的扩展问题，不能模拟裂纹萌生、扩展到相互贯通的整个过程。上述数值模拟方法的另一个缺点是均忽略了岩石变形、开裂与流体流动之间的耦合作用。如 Jeffrey 用分离裂缝模型研究水力压裂过程时认为不能考虑流体流动过程和应力变化对裂纹的影响。目前对渗流与应力耦合作用的研究集中于固有裂隙网络的应力应变状态耦合分析，缺少耦合作用的破裂过程分析。 Burn 和 Ankara 利用 Biota 理论研究孔隙压力对岩石的张性断裂的影响， Vandamme 和 Roegierso 提出了水力压裂的耦合解， Dournary 利用流固耦合理论讨论了水力压裂的起裂、扩展和闭合全过程的流固耦合现象，指出流固耦合在水力压裂过程中应用的重要性， L.Weijers 提出一种描述流体渗流过程的水力压裂力学模型，并和试验进行了对照。这些考虑流体影响的水力压裂研究局限于试验研究和理论分析，虽然有美国 Terra-Tech 等水力压裂的模拟软件，但研究渗流应力耦合作用下岩石渐进破裂全过程的细观数值模型较少。; 个人分类: 科研笔记|5266 次阅读|0 个评论

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