项目部分研究进展包括：

1. 低渗透储层岩石超临界CO₂压裂三维应力场可视化实验系统的制备

超临界CO₂压裂三维应力场冻结实验系统主要由高精度真三轴加载系统和分体式温控系统组成。现已经完成了：所有系统硬件的设计、加工和调试；以及整机软件控制系统的集成和联动测试；正在利用透明化物理模型开展现场测试试验，保证整个系统的功能能够达到设计参数的要求。该三维应力场可视化实验系统即将完成实验室的就位安装。

图1 CO₂压裂三维应力场可视化实验系统

1.1 完成了高精度真三轴加载系统的加工和调试

依照项目要求的技术参数指标，完成了整个真三轴加载系统的设计，并完成了加载系统的加工制备（如图2）。主体框架主要由垂直加载单元和水平双轴加载单元组成，并通过高强度框架梁进行连接和支撑。加载单元的一侧安装有可提供主动加载作用力的伺服作动器，而加载单元的另一端安装则安装有水平轴测力传感器。可以提供水平方向300kN，数值方向500kN的压力。为了保证三轴加载过程实现高精度加载控制以及快速准确的伺服反馈，选用具有独立双通道输出的测力传感器，实现三通道的自由切换和独立控制。同时，采用非线性校正技术对传感器的测试精度进行校正，提高整机的加载控制的精度；另一方面，为了保持加载过程中被测试件和加载板之间不会产生额外的剪应力，六面加载板端头设计有自适应滑板。加载过程中，每块滑动板会与相邻滑动板相互搭接。加载过程中，在保证有效传递轴向荷载的同时，各滑动构件会随着试件的变形产生相对滑动，保证试件表面不会产生附加剪应力的作用。最后，整机通过高强度框架结构将三轴方向的伺服作动器进行合理的布局和安装，在兼顾结构的稳定的前提下，提高了整机设备的集成度。

1.2 完成了分体式温控系统的加工和调试

高精度温度控制是实现压裂过程中冻结实验的关键技术点。为了实现高低条件下的精准控温要求，设备的设计输出功率较大，有严格的散热需求。针对这一问题，将温控系统设计为内外分体式：室内机主要布置冷热油的输油管路油路、蒸发器以及自动控制系统（如图3 a）；而将功率较高，散热需求严格的压缩机等系统置于室外机中（如图3 b）；室内和室外机之间利用保温铜管进行密封连接。这样既保证了内循环系统的精确控制，又满足了大功率设备散热的要求。另一方面，应力冻结实验要求在升温和降温阶段都能对试件进行线性的温度控制。该系统利用分别对油温机出口端的温度以及被测试件表面的温度进行监测。通过高精度的PID调节对油温机出口端的油温进行高精度的控制，保证升降温过程中对被测试件表面的温度进行线性控制。现整个分体式温控系统已制备调试完成，可以实现-65～200℃范围内的线性温度控制，温控精度不超过1℃。已和压裂系统的主机进行了连接和数据的传输适配，整体工作效果良好。

1.3 完成了软件控制系统的集成和各部分的联动测试

完成了真三轴加载系统和温控系统的集成与联动测试。按照实验要求，将加载系统的控制程序和温控系统的控制程序进行了集成和适配，形成了一套完整的控制系统，可以对实验过程中的应力曲线，和温控曲线进行同步采集和实时反馈。

2．复杂岩石三维应力场的可视化方法研究

2.1透明化材料的临界相变研究

为了深入研究冻结应力试验中，连续温升和加载对光敏树脂应力双折射的影响，设计了带有高温加载室的反射光弹系统（见图4），利用3D打印透明圆盘模型，进行了不同温度和径向载荷下的冻结应力试验，捕捉了不同条件下打印模型中的应力条纹。研究了光敏树脂材料在不同载荷作用下的光热曲线（见图5）、全场应力条纹的稳定性，并分析了高温和持续加载对条纹级稳定性的影响。利用圆盘模型中心点的条纹级数，验证了光弹条纹与全场应力之间的线性关系。确定了玻璃态、转变态和高弹态的临界温度。结果表明，被测光敏树脂材料冻结应力的最低临界温度为80^oC。成果发表在国际著名期刊Optics and Lasers in Engineering (JCR Q1, IF 4.273)。

2.2复杂岩体应力场可视化方法研究

非连续的结构如孔隙、裂缝、节理和断层等主导着地下岩体的物理和力学行为，地下资源开采活动极大地改变了围岩的非连续性和应力分布。针对岩体内部复杂非连续结构和应力场动态演化表征的难题，综述研究了非连续岩石结构表征方法、3D打印技术应用于复制岩体样品和在地球物理领域的应用。重点讨论了岩体内部非连续的结构（见图9）和三维应力场（见图10）连续演化的可视化表征，介绍了非连续结构和应力场定量提取方法的最新进展，特别是结合计算机断层扫描(CT)、3DP技术、透明岩石模型和光学力学方法的发展和过程，定量可视化地表征了岩体内部三维非连续结构和应力场的演化。成果发表在国际著名期刊Engineering Geology(JCR Q1, IF 4.779)。

2.2.1裂隙岩体应力场可视化定量表征

本研究将三维打印技术与数字光弹性技术相结合，提出了一种揭示和量化裂隙煤全场主应力差和剪应力连续演化的光学方法。采用三维打印技术复制出裂隙煤体的透明模型。针对以往光弹性方法难以定量解决的含复杂裂隙结构的光弹性平面模型，基于十步彩色相移法及质量引导解包裹法提出一种复杂裂隙结构模型全场等色线和等倾线的自动确定方法。在一定程度上解决了光弹条纹中等色线和等倾线在整数级或者接近整数级的地方相互千扰，难以分离的问题以及由于消光现象导致的等色线不连续区域。实现了含有不规则裂隙的三维模型中全场主应力差和剪应力的提取和表征。分析了单轴压缩荷载下的裂隙结构的应力分布特征及其与裂纹分布之间的关系。相关成果已发表在国际著名期刊 Optics and Lasers in Engineering (JCR Q1, IF 4.059)。

2.2.2三维裂缝扩展过程中应力场的可视化定量表征

针对三维裂缝起裂、扩展过程中三维应力场难以准确捕捉和定量表征的难题，基于复杂岩体三维应力场技术，制备了透明化的裂隙模型，利用可视化模型特殊的物理力学性质，建立了不同加载阶段与裂缝空间展布形态的关系，并对裂缝的起裂和扩展阶段进行了识别。进而，开展裂缝扩展到不同阶段时的三维应力“冻结”实验，并利用光弹性分析方法，直观展示和定量表征了裂缝起裂和扩展过程中三维应力场的演化特征。透明与可视化研究发现：内嵌三维裂缝虽然在起裂阶段呈现双翼裂缝的扩展模式，但是随着裂缝的扩展，会形成包裹型的瓣状裂缝。裂缝尖端的应力集中区会导致裂缝面的滑移，裂缝出现起裂。同时，和贯穿型裂缝相比，模型内未穿透的区域会对内部三维裂缝的扩展起到显著的限制作用，导致包裹型裂缝的产生。同时，基于有限元模拟方法，分析得到了单轴压缩下三维裂缝周围的应力分布特征。通过和物理实验结果的对比吗，验证了实验结果的准确性。为准备识别和定量表征三维裂缝应力场的空间演化特征，揭示三维复杂裂缝的起裂和扩展规律提供了一个新的思路。相关成果已发表在国际著名期刊 Engineering Fracture Mechanics (JCR Q1, IF 3.426)和Theoretical and Applied Fracture Mechanics (JCR Q1, IF 3.021)。

2.2.3粗糙断层剪切过程应力场的可视化定量表征

针对自然粗糙断层滑移过程近断层全场应力演化难以用理论、现场探测及数值模拟准确表征。该研究提出了基于光弹性十步相移法、断层模型分割-拼接技术、条纹级数自动校核技术相结合的新方法，实现了自然粗糙断层近断层全场剪应力及主应力差的定量表征及透明显示。研究发现，粗糙断层剪切过程，近断层应力分布呈现高度的非均匀性，且在断层的上坡位置出现了明显的应力集中现象；此外，近断层剪应力及主应力差与断层起伏角存在一定的正相关关系，这为地震成核预测提供了一定的参考。成果发表在国际著名期刊International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences (JCR 1区，IF 4.151，2020.2)。

3. 储层岩石压裂三维应力场-裂隙场-渗流场的定量可视化研究

3.1多井压裂过程中三维缝网展布规律研究

建立了一个基于实际储层资料的三维数值模型来探讨多裂缝间应力阴影效应。模拟考虑了流固耦合和滤失效应，采用自适应有限元-离散元方法获得高精度解和可靠的三维裂缝扩展路径。针对实际工程案例进行数值模拟，以解决Sequential Fracturing和Simultaneous Fracturing的差异、不同井距对压裂效果的影响，以及优化压裂效率所需的多个垂直井的数量。结果表明，同步压裂产生的最终三维裂缝面积比顺序压裂产生的裂缝面积小得多。顺序压裂时，3口竖直井的裂缝面积大于5口直井的裂缝面积。在三口井的连续压裂过程中，由于井距足够大，足以充分削弱应力阴影效应。除此之外，通过矩张量反演算法对微地震类型（剪切/张拉）进行精确区分，由于强烈的应力阴影效应，多井同步压裂会在应力叠加区附近诱发大量的微震事件。同步压裂过程中，强烈的应力变化不可避免地引起多个裂缝之间的相互作用，容易诱发更多的微震事件。然而，在初始射孔周围有少量的接触滑移微地震事件。由于接触滑移事件发生在断裂面中部，因此接触滑移事件的累积量相对较低且更稳定，因此裂缝间的应力相互作用对其影响不大。成果发表在国际著名期刊Journal Of Natural Gas Science And Engineering (Q2区，IF 3.841)。

3.2复杂孔隙系统内非混相水油驱替行为的可视化研究

针对渗流LBM模拟方法中流体密度比差异引发的驱替界面不连续和计算不稳定等问题，采用修正平衡分布函数的多组分格子Boltzmann方法，模拟分析了真实流体密度比条件下复杂孔隙系统内非混相水油驱替动力学特征、优势路径及其对孔隙结构参数的敏感性。发现了孔隙几何特征与孔径分布对水油驱替路径的影响主要体现在局部指进形态上（图14），孔隙结构拓扑特征不变时主体优势路径没有显著变化。论文研究提供了一种分析和评价油藏储层水油两相驱替行为及影响因素的量化分析模型（图15），为解决老油藏开采过程中残余油开发利用的工程难题提供理论基础和依据。成果发表在国际工程科学领域顶级期刊International Journal of Engineering Science（JCR Q1, IF=9.052）

3.3三维孔隙结构中多相渗流机理的透明化与定量表征

经过长期注水开发老油田含水率大幅上升，储层内部水窜导致采收率下降，废水处理成本升高等一系列问题。本研究采用高精度微米CT扫描获得了真实储层不同水驱条带代表性三维孔隙结构。依据天然岩石结构，构建了没有明显分界的不同渗透率孔隙结构组合条带模型，并采用3D打印技术制作了透明可视化模型，实验可视化了油、水、堵剂、聚合物、表面活性剂驱替过程（图16）。分析了组合条带模型内水窜的形成原因和堵剂转向机理提高后续化学剂提高采收率的机理。实验结果证实了组合条带模型渗透率级差及注入粘度差异是高渗透条带形成水窜通道主要原因；堵剂运移路径及原位成胶是保证后续注入转向进入驱替其余高含油区域进而提高采收率的根本原因。成果发表在国际期刊Journal of Petroleum Science and Engineering (Q1区，IF 3.706)。