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钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

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地下空间与工程学报 2023年第5期19卷 1536-1543,1632页

作者：刘晨徐素国太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原030000

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现:在低应力差条件下,裂缝... 详细信息

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现:在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。

关键词：水力压裂钙芒硝裂缝扩展裂缝形态

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钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

地下空间与工程学报 2022年第3期18卷 840-848页

作者：邵震徐素国冀辉杰太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原030024

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、... 详细信息

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。

关键词：水力压裂裂纹扩展钙芒硝形貌扫描

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损伤岩盐高温再结晶剪切特性的试验研究

岩石力学与工程学报 2004年第20期23卷 3413-3417页

作者：梁卫国徐素国赵阳升太原理工大学采矿工艺研究所太原030024

岩盐矿床目前被公认为放射性核废料地质处置的理想场所。核废物的放射作用能使储库围岩温度极大升高,同时在岩盐晶体内部会发生高温再结晶作用。因此,研究高温再结晶对岩盐、特别是损伤岩盐的力学特性的影响,对处置库内核废料与外界生... 详细信息

岩盐矿床目前被公认为放射性核废料地质处置的理想场所。核废物的放射作用能使储库围岩温度极大升高,同时在岩盐晶体内部会发生高温再结晶作用。因此,研究高温再结晶对岩盐、特别是损伤岩盐的力学特性的影响,对处置库内核废料与外界生物圈的安全隔离具有十分重要的意义。通过试验,对无水芒硝岩盐试件60℃时剪切损伤、120℃时加热再结晶的剪切力学特性进行了研究。研究发现:(1)120℃下加热10h的损伤再结晶岩盐试件,其剪切峰值强度降低为原完好试件的82%,相应的变形模量为原来的1.5倍;(2)高温再结晶之后损伤岩盐试件仍具有完好试件的基本变形特征;(3)随温度由60℃升高到120℃,完好岩盐试件的剪切强度得到了一定提高,其中内摩擦角增幅较大;(4)高温再结晶可以恢复岩盐的内摩擦角,但是对于粘聚力的恢复表现不明显。

关键词：岩石力学高温效应损伤岩盐盐矿床再结晶剪切特性试验研究

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240℃内盐岩物理力学特性的实验研究

岩石力学与工程学报 2004年第14期23卷 2365-2369页

作者：梁卫国赵阳升徐素国太原理工大学采矿工艺研究所太原030024

由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理... 详细信息

由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。通过对无水芒硝盐岩试件在20℃～240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现,随温度的升高(1)盐岩试件的超声波速在降低,超声波速与温度的关系为v=3.38e-0.0032T;(2)盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大,而变形模量Eq则在降低,盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显,经回归分析,得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线sc=4.54ln(T)-3.04;(3)盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大,尤其是内摩擦角增幅明显,在20℃,60℃及120℃时的强度曲线分别为t=6.11+stan22.5°,t=7.06+stan27.6°,t=7.09+stan33.9°;(4)盐岩的剪切强度增强,剪切峰值强度与温度呈线性关系tpeak=0.0097T+6.9609。

关键词：岩石力学盐岩高温力学特性温度效应核废料处置实验研究

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褐煤热破裂的显微CT实验

煤炭学报 2011年第5期36卷 855-860页

作者：孟巧荣赵阳升胡耀青冯增朝徐素国太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统并配以微型气氛炉,研究了内蒙古平庄褐煤热破裂随温度的变化关系。研究结果表明,褐煤在100℃左右时,大裂隙（〉800μm）占主导地位;200℃左右时,中等裂隙（100~400μm）占主导地位;300℃之后微... 详细信息

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统并配以微型气氛炉,研究了内蒙古平庄褐煤热破裂随温度的变化关系。研究结果表明,褐煤在100℃左右时,大裂隙（〉800μm）占主导地位;200℃左右时,中等裂隙（100~400μm）占主导地位;300℃之后微裂隙（〈100μm）占主导地位;热破裂的阈值为300℃左右;在300℃之前孔隙裂隙的产生发展主要是因为热破裂,300℃之后,微裂隙和孔隙的产生主要是因为煤体发生热解化学反应,油气逸出,固体骨架逐渐转变为半焦体。

关键词：褐煤热破裂显微CT 热解孔隙

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岩盐矿床油气储库建造的基础研究

岩盐矿床油气储库建造的基础研究

作者：徐素国太原理工大学

学位级别：硕士

基于我国能源安全和西气东输工程，急需建立巨型油气储备库。本文针对岩盐矿层内建造油气储库的可行性，建造方法和稳定性分析做了一些基础性的研究，为在盐矿矿床中建造油气储备库提供一些可供参考的基本数据。通过实验研究一种岩盐... 详细信息

基于我国能源安全和西气东输工程，急需建立巨型油气储备库。本文针对岩盐矿层内建造油气储库的可行性，建造方法和稳定性分析做了一些基础性的研究，为在盐矿矿床中建造油气储备库提供一些可供参考的基本数据。通过实验研究一种岩盐—钙芒硝的水溶特性和在化学溶液中的溶解特性，得出其在两种不同溶解环境下的溶解特性曲线。为在岩盐矿层中建造储备库的快速建槽提供了一种有益的方法，即在钙芒硝矿层中建造溶腔时，优先用化学溶解法建造溶腔的雏形。渗透特性是关系到能否在岩盐矿层中建造油气储备库的关键性参数。通过三维渗流实验，得到岩盐的渗透特性在以水为溶剂时随溶解时间而增大的变化规律。在力学特性实验中，确定了钙芒硝的抗压、抗拉、剪切强度等力学参数。考虑到储库内的流体在不同压力下会有不同的温度，通过做芒硝岩盐在高温度下的力学特性实验，得出岩盐的各个指标随温度升高有大幅度提高的结论。同时研究了岩盐的水溶开采方法，包括单井对流法和井组溶解法。作为井组水溶开采方法的利用，提出定向对接井连通溶解法建造圆形水平储库和双井压裂连通溶解法建造椭圆形水平储库，是适合我国岩盐地质的储库建造方法。并对用这两种方法建造的储库在不同内压下的库稳定性，利用有限元分析软件进行了初步分析，发现随着溶腔内压力的增加，溶腔周围的塑性区逐渐减小，垂直应力逐渐趋于相同深度的原岩应力，位太原理工大学硕士学位论文移逐渐趋于零，同时得出在地下1000米深处，建造直径50米圆形铜室或长半轴为25米的椭圆形铜室，在储库内压为IOMP以上时，均不出现塑性区，储库具有良好稳定性的结论。

关键词：岩盐矿床储库建造稳定性分析基础研究

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钙芒硝岩盐水溶特性的实验研究

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2005年第1期24卷 5-7页

作者：徐素国梁卫国赵阳升太原理工大学采矿工艺研究所中国矿业大学能源科学与工程学院江苏徐州221000

在常温和 30℃时,对其在水中的溶解特性进行了研究,发现在室温静溶时试件很快破碎,溶液浓度上升比较快;在 30℃水中不易破碎,原因在于 CaSO4在水中溶解度小,温度升高其溶解度反而降低,溶解出来的 CaSO4容易附着在矿物表面,阻止矿物的溶... 详细信息

在常温和 30℃时,对其在水中的溶解特性进行了研究,发现在室温静溶时试件很快破碎,溶液浓度上升比较快;在 30℃水中不易破碎,原因在于 CaSO4在水中溶解度小,温度升高其溶解度反而降低,溶解出来的 CaSO4容易附着在矿物表面,阻止矿物的溶解。同时得出了钙芒硝在水中溶解特性曲线以及溶解速率和溶解速度方程,以此来指导钙芒硝岩盐矿和其他可溶性矿物的水溶开采。

关键词：钙芒硝岩盐水溶采矿溶解特性

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盐岩蠕变特性的试验研究

岩石力学与工程学报 2006年第7期25卷 1386-1390页

作者：梁卫国徐素国赵阳升杨春和中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071 太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

盐岩蠕变特性会因矿物组成成分、加载应力水平的不同而异。通过对钙芒硝盐岩及氯化钠盐岩在不同载荷作用下多于100 d的蠕变试验研究发现:(1)在相同载荷7.0 MPa作用下,不同矿物成分盐岩的蠕变特性不同,钙芒硝盐岩的蠕变速率仅为氯化钠盐... 详细信息

盐岩蠕变特性会因矿物组成成分、加载应力水平的不同而异。通过对钙芒硝盐岩及氯化钠盐岩在不同载荷作用下多于100 d的蠕变试验研究发现:(1)在相同载荷7.0 MPa作用下,不同矿物成分盐岩的蠕变特性不同,钙芒硝盐岩的蠕变速率仅为氯化钠盐岩的3.67%,分别为8.72×10-6和2.38×10-4 d-1,二者有2个数量级之差;(2)在不同载荷作用下,盐岩的蠕变特性不同。在7.0 MPa载荷作用下,盐岩试件的蠕变速率为2.38×10-4/d;而在4.0 MPa载荷作用下,试件的蠕变速率为3.77×10-5 d-1,仅为前者的15.87%,表现出盐岩蠕变明显的应力效应特征;(3)在7.0和12.0 MPa两种不同载荷作用下,钙芒硝盐岩的蠕变率分别为8.72×10-6 d-1和1.12×10-5 d-1,后者为前者的1.28倍,与变形量比例相一致。最后,通过分析建立盐岩瞬态蠕变和稳态蠕变的耦合本构方程,该方程拟合曲线与试验结果曲线吻合较好。所获试验结果及本构方程可对层状盐岩矿床内建造油气储库的稳定性分析提供一定的参考依据。

关键词：岩石力学盐岩钙芒硝蠕变本构方程试验研究

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钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究

岩石力学与工程学报 2006年第5期25卷 951-955页

作者：梁卫国徐素国赵阳升中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071 太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

溶解是盐类矿物的基本特性,渗透是流体在溶质浓度梯度、压力梯度及二者共同作用下经过多孔介质的运动。由于矿物组分溶解特性的差异,在一定渗透压力作用下,钙芒硝盐岩体内会产生溶解渗透交互促进作用,从而由低渗透介质变为高渗透的多孔... 详细信息

溶解是盐类矿物的基本特性,渗透是流体在溶质浓度梯度、压力梯度及二者共同作用下经过多孔介质的运动。由于矿物组分溶解特性的差异,在一定渗透压力作用下,钙芒硝盐岩体内会产生溶解渗透交互促进作用,从而由低渗透介质变为高渗透的多孔介质,其渗透及力学特性受其矿物组分硫酸钠溶解程度的影响极大,这种特性称之为溶解渗透力学特性。实验结果表明,钙芒硝盐岩的渗透率为溶解渗透时间及渗透压的函数。在围压为2.0MPa、初始渗透压为1.0MPa的溶解渗透作用下,获得不同溶解渗透时间时渗透率与渗透压的关系。由于溶解渗透使得矿物组成及其结构的变化,钙芒硝盐岩在溶解渗透前后三轴力学特性差异也很大,在2.0MPa围压的作用条件下,溶解渗透49h之后,钙芒硝盐岩的强度由未溶解渗透时的46.53MPa,降低为溶解渗透后的11.42MPa;与此同时,弹性模量也由43.700MPa降低为0.834MPa。因此,溶解渗透对钙芒硝盐岩的力学特性有着极大的影响。

关键词：岩石力学盐岩钙芒硝溶解渗透力学特性