沉积岩水力压裂问题数值模拟及解析解研究

摘要：

在岩体隧道工程的勘测、施工、运营整个过程中,水力压裂是一种需要重点关注的力学机制.文章针对层理性沉积岩材料,运用有限元断裂损伤模拟和解析推导两种手段开展水力压裂问题研究.基于多场耦合有限元分析软件,结合线弹性断裂准则与损伤本构模型,二次开发了可以表征微裂纹的渗流-应力-损伤耦合岩石模型,并应用于饱和渗流岩体水力压裂过程,通过引入弥散的平行微裂纹表达沉积岩的层理,建立沉积岩圆筒模型模拟孔径注水、外加围压条件下的水力压裂行为,研究其压裂破坏模式及渗流分布模式.另外,通过变化孔径和围压,探讨临界起裂水压与围压、试件孔径的定量关系.为了验证数值模拟所得起裂压力规律,基于渗流理论和弹性力学基本方程,结合模拟中得到的张拉破坏模式,推导了均质线弹性渗流岩体圆筒的临界起裂水压公式.解析与数值计算结果对比显示,两种途径得到的起裂压力吻合很好,偏差呈现在3％以内;围压越大,起裂压力越大,两者近似呈线性关系;孔径越小,起裂压力越大,两者在一定范围内近似呈负斜率线性关系.同时,起裂压力解析解总是略大于数值解,这反映出解析方法与数值方法基本材料假设不同所造成的影响.在材料性质参数一致时,基于理想线弹性体假设得到的起裂压力会大于引入初始损伤层理的材料算得的起裂压力.

关键词：沉积岩、水力压裂、有限元损伤模拟、解析解

所属期刊栏目：55

分类号：P642.3(水文地质学与工程地质学)

资助基金：国家自然科学基金面上项目51474157

在线出版日期：2019-01-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：33-44