模拟水压致裂的二维FDEM-flow方法

 水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑流–固耦合驱动下的岩体破裂问题提供完整的解决方案,并给出实现流–固耦合的整个计算流程。通过2个含有解析解的裂隙渗流算例,验证本文提出方法求解纯裂隙渗流问题的正确性。最后,通过一个流体驱动下的岩体破裂算例,展现提出的方法在模拟流–固耦合驱动下的岩体破裂问题的巨大潜力,为模拟页岩气开采中的水压致裂问题提供了新途径。     

三维FEM/DEM中摩擦力的实施及验证

 块体间的相互碰撞、滑移均涉及到摩擦力的问题,但原有的三维有限元/离散元(FEM/DEM)并未考虑摩擦力的作用,为解决这一问题,首先论述三维FEM/DEM中基于势的接触力,指出势是对嵌入及接触所存储能量的表征,势越大表示嵌入量越大,接触所存储的能量越大。然后,在原有三维FEM/DEM中加入经典的库仑摩擦,使得原有三维FEM/DEM可以考虑摩擦力。最后,通过有解析解的斜面滑块算例和拱桥垮塌算例验证实施库仑摩擦的正确性,结果表明斜面滑块算例的数值解与解析解很好地吻合;而拱桥垮塌算例表明FEM/DEM可以解决复杂的工程问题。     

FDEM-TM方法模拟岩石热破裂

岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM(finite discrete element method)方法,用建立的FDEM-TM(finite discrete element method with thermo-mechanical coupling)方法对一个圆筒试样在两种不同温度边界条件下的热破裂进行了分析。研究表明,当内边界温度保持不变,外边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘外侧处于受压状态,而圆盘内侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘内边界起裂,从内向外扩展,形成发散裂纹。当外边界温度保持不变,内边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘内侧处于受压状态,而圆盘外侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘外边界起裂,从外向内扩展,形成从外向内扩展的径向裂纹。模拟结果和已有文献结果保持较好的一致性,验证了FDEM-TM方法模拟岩石热破裂的有效性。     

基于FDEM-flow方法研究非均质性对水力压裂的影响

用FDEM-flow方法作为工具,研究材料的均质度、空间排列对水力压裂的影响。研究表明,随着注入水压的增大,圆孔周界的最大主应力增大,增大到一定值,产生裂隙,裂隙主要由受拉破坏产生。裂隙穿过的区域出现拉应力释放,裂隙端部的应力集中区随裂隙的扩展而向外移动。均质度系数较小时,分叉裂隙较多,裂隙扩展路径不平整,并呈现出非对称性;均质度系数增大,分叉裂隙减少,裂隙扩展路径越平直,呈现的对称性越明显。起裂压力也随均质度系数的增大而增大并趋于稳定。材料的空间排列不同,其起裂位置、扩展形态均有较大的差别,起裂压力也随之波动。     

基于FDEM-flow的多孔水力压裂模拟

为指导水力压裂施工,用FDEM-flow方法对多孔水力压裂问题进行了研究。研究结果显示:当H2孔的水压较小时,由H1孔出发的裂缝几乎不朝H2孔偏转;当H2孔的水压较大时,H1孔出发朝下扩展的裂缝,向H2孔偏转明显;当H1,H3孔同步增大水压时,H1出发向下扩展的裂缝朝H3孔偏转,H3孔出发向上扩展的裂缝朝H1孔偏转,最终在H1孔和H3孔间形成2条相向扩展的裂缝。上述研究结果表明:水力压裂裂缝的走向会受到相邻孔的干涉,可以通过相邻孔应力干扰控制压裂裂缝的走向;同时相邻孔的干涉,可以降低注水孔的起裂水压力,这也从侧面说明了同步压裂技术的合理性。