水力压裂裂缝跨尺度扩展及表征研究
本文摘要：（由ai生成）
水力压裂裂缝扩展涉及断裂力学与流体力学，研究多从固体断裂开始，逐步引入流体耦合。众多学者通过实验和模拟方法研究了裂缝的扩展机制，如微裂缝在岩石破裂中的作用、岩石破坏的晶粒边界进行等。这些方法不仅解决了裂缝发育的相关问题，还研究了裂缝与天然裂缝的交互关系。这些研究为深入理解水力压裂裂缝扩展机制提供了重要基础。
水力压裂裂缝扩展问题的研究属于断裂力学和流体力学的学科交接部分。可以从断裂力学开始研究，进而耦合流体。因此在文献调研时先对无流体条件下固体断裂裂缝扩展问题进行了调研，后调研了水力压裂裂缝扩展的问题。
Hoagland等[1]研究了微裂缝在岩石破裂过程中的作用。通过对石灰岩和砂岩进行双悬臂梁楔形载荷实验，测量了裂缝扩展时单位区域的能量耗散，进行了声发射测量，并对裂缝端面进行了显微观察。追踪裂纹扩展位置时，使用了铅笔涂抹线条的方式使样品导电性增强，并通过测量岩石的阻抗来判断裂缝是否将铅笔划出的石墨线条切断，进而确定裂缝尖端是否发育到铅笔划痕处，此处使用的实验方法十分值得学习。通过实验，发现裂缝沿层里面扩展所耗散的能量最小，证明了裂缝尖端微破裂区的存在。指出岩石破坏时的能量耗散要比单晶矿物的大，很可能是因为在裂缝尖端出现了塑性区。
裂纹尖端塑性区
E.Hoek等[2]调查的研究认为，在低围压下，岩心柱的张性破坏出现在单轴强度40%-60%左右，并相互连接产生局部应变最终形成大尺度的剪切破坏。岩石的破坏会沿着晶粒边界进行，脆性破坏受制于岩石或者是其组分的抗拉强度。格里菲斯的脆性破坏理论提供了一个模拟这个过程的简化方法，胡克布朗破坏准则则提供了一个对峰值应力的估计方法，但是在受拉情况下的估计有所降低。Ning等[3]使用不连续位移法模拟了带有节理的岩体在岩爆过程中裂缝的产生；通过对实际岩心和模拟眼新的静态破坏实验，将人造节理引入岩体，最终模拟了岩爆状态下的岩体破坏。认为在不连续位移法框架内使用高级离散化裂缝模型来模拟裂缝的产生、发育和相互影响过程没有技术或者数学理论上的困难。Zhang等[4]通过对类岩石材料进行实验模研究了裂缝起裂和扩展的力学性质，对有预置裂缝的类岩石材料进行单轴压缩实验，观测裂缝的形态。并使用扩展有限元模拟裂缝，得到与实验一致的结果。观察到的裂缝主要有翼型裂缝和次生裂缝，得到了裂缝起裂角与预置裂缝倾角之间的关系。
单轴压缩下预制裂缝起裂发育
Funatsu等[5]使用离散元颗粒流方法模拟了裂缝的性质。首先通过单轴压缩和巴西劈裂实验来对砂岩进行校准，后通过对由簇（clumps）组成的带有预制裂缝的颗粒流模型进行半圆弯断实验（Semi-Circular Bending），确定了岩石模型的断裂韧性，对离散元颗粒流程序中裂缝的校正模拟有所帮助。得到了载荷-位移曲线，发现曲线在达到峰值之前呈线性增加，达到峰值之后出现骤降。
半圆弯断试验示意图
Cao等[6]对带有不同倾角预置裂缝的类岩石材料进行单轴压缩实验，发现随着岩石桥（rock bridge）的增大，新裂缝的产生逐渐由翼型裂缝（wing crack）变为接合裂缝（crack coalescence failure），而且随着预置裂缝的倾角增大，现象更为明显。Jiang等[7]使用2D离散元方法对岩石进行了模拟，并使用真实岩石的单轴、双轴、直拉试验和巴西劈裂实验进行校准。解决了离散元方法中常见的低强度包络线角（strength envelope angle）和高抗拉/抗压强度比的问题。使用离散元方法进行了不同倾角的单缝、双缝压裂实验，结果与物模实验吻合良好。并发现在离散元数模实验中裂缝的起裂方式是张破坏，并且在裂缝发育过程中张破坏相比于剪破坏的比例更大。且单缝状态下，30度的缝倾角对强度弱化最大；双缝条件下，30度的缝倾角最有利于裂缝发育。Gil等[9]使用离散元3DEC方法成功模拟了真实的天然裂缝性油藏压裂液注入过程中裂缝的发育状况，包括（1）流体流动-变形耦合分析（2）破坏种类和范围估计（3）注入速率、流体粘度对破坏种类的影响，即对抗拉破坏数与抗剪破坏数比值的影响。对抗拉/抗剪破坏比的研究有助于进一步理解和优化水力压裂过程。结论显示：高注入速率对拉破坏有明显帮助，而低注入速率下剪破坏则更多；低粘度条件下的剪切破坏要明显多于高粘度下的剪切破坏，且随着时间增长现象更为明显。Dahi-Taleghani等[10]基于扩展有限元方法（XFEM/ Extended Finite Element Method）研究了水力压裂裂缝扩展与天然裂缝的关系，发现水力压裂裂缝的复杂性很大程度长取决于：地应力的各向异性、岩石断裂韧性、天然裂缝胶接强度以及天然裂缝相对于水力压裂裂缝的方向；天然裂缝会在水力压裂裂缝尖端到达之前出现开裂发育的情况。Chuprakov等[11]使用位移不连续法（DDM/Displacement Discontinuity Method）模拟了水力压裂裂缝的起裂和扩展及其与天然裂缝的相互作用，发现其相互作用主要取决于水力压裂的静压力、地应力的各向异性、天然裂缝和水力压裂裂缝所成角度以及天然裂缝的摩擦角。发现最容易出现张性裂缝的地方是天然裂缝尖端。Hou等[8]提出激活岩石区-Stimulated Rock Area (SRA)的概念来评估水力压裂效果。通过室内大型真三轴水力压裂实验，发现地应力各项异性和天然弱面的位置对水力压裂裂缝有很大的影响。发现高脆性矿物成分使岩石更易压裂，低粘度的压裂液和高注入速率能够产生较大的SRA，改变压裂液的注入速率能够帮助水利裂缝和天然裂缝的沟通。Abdollahipour等[12]使用高阶位移不连续法计算了有预制裂缝下的岩石水力压裂裂缝扩展，并通过实验验证。预制裂缝内部液压均匀分布。发现水力压裂裂缝在起裂后裂缝方向会受到远场地应力的影响而最终转向同一方向。Guo等[13]使用位移不连续法研究了多水力压裂裂缝在天然裂缝网络中发育的过程。影响水利裂缝形态主要有以下几个因素：岩石的力学特性、渗透率、水利裂缝/天然裂缝接触角、地应力各向异性和压裂液注入速率。发现较大的压裂液注入速率会导致水利裂缝穿过天然裂缝，并使裂缝延伸到油藏更远处，进而形成缝网。资料寻找整理不易，如需完整版资料赞赏小蜜蜂的辛勤劳动后获取。
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