考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法

以多孔介质流体渗流和围岩应力耦合理论为基础,提出一种基于有限容积法（FVM）的水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。首先,考虑初始地应力和流体渗流对射孔围岩的影响,运用坐标转换和叠加原理得到围岩应力分布。其次,考虑围岩渗透率和孔隙度的应力敏感性,通过渗流力学分析确定射孔围岩的流体压力。最后,探讨水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上,构建考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂力学模型,并基于有限容积法对渗流方程和应力方程予以离散,提出水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。该方法实现了流体渗流与围岩应力的耦合,可精确求解水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂压力和破裂时间,亦能对流体压力和围岩渗透率演化予以准确描述。相关成果丰富了水力压裂破裂机理的研究,亦可对实际工程设计提供重要的参考。     

动力水力压裂的相场模拟方法

水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

水力压裂三维数学模型研究

根据渗流力学、岩石力学、传热学、断裂力学知识，建立了油水井三维水力压裂模拟计算的数学模型。模型考虑了压裂液的流变性、支撑剂在压裂缝中的运移、压裂液与储层岩石的热交换以及压裂过程中的流固耦合作用，给出了裂纹扩展和流固耦合计算的数值解法，通过算例验证了所提出数学模型的合理性。     

FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

水射流冲击含饱和流体岩石介质耦合机理分析

根据含饱和流体的岩石孔隙介质在水射流冲击下包括水射流与岩石、水射流与孔隙流体以及孔隙流与孔隙固相介质三种耦合作用,建立了淹没条件下水射流冲击孔隙介质的耦合分析的理论模型,给出了数值计算方法。按建立的模型计算了出口速度为447.2,547.7和632.5m/s的水射流冲击岩石时水射流流场、岩石孔隙介质内渗流场和应力场的分布规律,为高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流–固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

基于弥散式裂缝模型的水力压裂研究

针对水力压裂数值模拟中传统分离式裂缝模型计算量大、需要预置裂缝及扩展路径等缺点,提出采用弥散式裂缝模型模拟水力压裂过程的解决办法,并根据流–固耦合理论,导出基于弥散裂缝的应力–渗流耦合方程,从而为实现在大尺度储层中模拟裂隙网络的演化提供参考。对混凝土试样进行水力压裂试验研究和基于弥散裂缝的数值分析,由2种方法得到的起裂值基本一致;试验和数值分析中,裂缝扩展主要受地应力影响,其方向垂直于水平最小地应力方向,最后在试件内形成主裂缝并贯穿整个试件。     

应力转向条件下水力压裂的三维数值模拟分析

为研究应力转向条件下水力压裂裂纹的扩展规律,基于有限元数值计算方法及三维应力条件下渗流-损伤-应力(应变)理论模型,分别建立3组不同围压及转向条件下水力压裂的并行计算数值模型。计算结果表明:在扩展形式上,固定围压条件下的水力裂缝扩展方向性显著,裂缝分叉后以直行状态继续扩展;而转向应力条件下的水力裂缝随着地应力的转向发生明显偏转。由于地应力转向前初始裂纹的非对称性,工况3条件下3条水力裂纹的水压力会随着地应力的转向发生相应的变化,且裂纹稳定扩展压力小于破裂压力。用声发射方法研究了水力压裂的破裂过程,结果表明水力裂缝的产生与扩展都是拉应力作用的结果,可以用声发射次数作为预测失稳的依据。     

Failure pressure calculation of fracturing well based on fluid-structure interaction

Failure pressure is a key parameter in reservoir hydrofracturing operation. Existing analytical methods for calculating the failure pressure are based on the assumption that borehole fluid is under two extreme conditions: non-infiltration or complete infiltration. The assumption is not suitable for the actual infiltration process, and this will cause a great error in practical calculation. It shows that during the injection process, the dynamic variation in effective stress-dependent permeability has an influence on the infiltration, and the influence also brings about calculation errors. Based on the fluid-structure interaction and finite element method (FEM), considering partial infiltration during injection process, a numerical model for calculating rock failure pressure is established. According to the analysis of permeability test results and response-surface method, a new variation rule of rock permeability with the change of effective stress is presented, and the relationships among the permeability, confining pressure and pore pressure are proposed. There are some differences between the dynamic value of permeability-effective-stress coefficient observed herein and the one obtained by the classical theory. Combining with the numerical model and the dynamic permeability, a coupling method for calculating failure pressure is developed. Comparison of field data and calculated values obtained by various methods shows that accurate values can be obtained by the coupling method. The coupling method can be widely applied to the calculation of failure pressure of reservoirs and complex wells to achieve effective fracturing operation.     

Failure pressure calculation of fracturing well based on fluid-structure interaction

Failure pressure is a key parameter in reservoir hydrofracturing operation. Existing analytical methods for calculating the failure pressure are based on the assumption that borehole fluid is under two extreme conditions: non-infiltration or complete infiltration. The assumption is not suitable for the actual infiltration process, and this will cause a great error in practical calculation. It shows that during the injection process, the dynamic variation in effective stress-dependent permeability has an influence on the infiltration, and the influence also brings about calculation errors. Based on the fluid-structure interaction and finite element method (FEM), considering partial infiltration during injection process, a numerical model for calculating rock failure pressure is established. According to the analysis of permeability test results and response-surface method, a new variation rule of rock permeability with the change of effective stress is presented, and the relationships among the permeability, confining pressure and pore pressure are proposed. There are some differences between the dynamic value of permeability-effective-stress coefficient observed herein and the one obtained by the classical theory. Combining with the numerical model and the dynamic permeability, a coupling method for calculating failure pressure is developed. Comparison of field data and calculated values obtained by various methods shows that accurate values can be obtained by the coupling method. The coupling method can be widely applied to the calculation of failure pressure of reservoirs and complex wells to achieve effective fracturing operation.     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

核废料贮存库围岩体热响应耦合场研究

岩体在加热状态的物理力学响应是核废料贮存库安全运行评价的主要指标。结合现场试验成果(温度、孔隙压力和变形),应用多孔连续介质力学理论对热诱导引起的岩体温度场、渗流场和应力场进行了有限元数值对比研究。提出了有限元计算过程中通过调整孔隙率和渗透系数来实现热–水–力耦合分析非线性孔隙弹性的研究方法。现场测试和数值模拟表明:在整个加热过程中,饱和岩体温度和有效应力随时间不断增加,而孔隙压力在加热能量变化初期呈上升趋势,在后期呈下降趋势。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发，根据裂隙发育与工程尺度的关系，建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型，该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性，并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程，给出该数学模型的求解策略与方法，开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化，对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析，发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升，随水位上升岸坡破损区增大，断层塑性区向岸坡深部扩展，与裂隙渗流比较，拟连续岩体渗流滞后。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。