水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

水平多缝间的相互干扰研究

利用大型有限元分析软件ANSYS，对薄差油层的水力压裂改造进行了研究，得出了水平多裂缝之间相互干扰的规律。裂缝的间距越大，相互之间的干扰就越小；一次改造的层数越多，相互之间的干扰就越大。所改造的裂缝间距小于1m时，几乎难以形成有效的支撑裂缝。利用此规律可优化实际压裂设计，为油田薄差油层的改造提供了理论依据。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

含界面储层水力压裂试验与数值模拟研究进展EI北大核心CSCD

深部储层含有大量的天然裂缝、断层、层理等各种不连续界面,这些界面直接影响并制约了水力压裂缝网形成及应用效果。从水力压裂试验、理论及数值模拟3个方面系统分析含界面储层的水力压裂研究进展。首先,梳理了水力压裂物模试验研究进展,探讨了不同含界面储层水力压裂物模试验方法,如加载方式、试样制备、监测手段。其次,基于含界面试样压裂物模试验结果,分析了水力裂缝与界面相互作用理论及影响缝网压裂效果的关键因素。然后,从水力裂缝与界面相互作用数值模拟的难点入手,重点阐述了裂缝交叉处理过程,水力裂缝与界面相互作用及压裂缝网形成机制数值模拟研究进展。最后,总结现阶段含界面储层水力压裂研究中存在的问题及发展趋势。     

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。     

水平井多段分簇压裂裂缝扩展形态数值模拟

水平井多段分簇压裂技术已成为低渗透油气增产的关键技术,能够大幅度增加储层的泄油面积,最大限度地提高采收率,而射孔簇间的应力干扰是影响水平井多段分簇压裂的关键因素。为了提高储层改造体积,研究簇间裂缝扩展的规律,根据流-固耦合及岩石断裂力学理论,利用ABAQUS扩展有限元法建立水平井多段分簇水力压裂二维模型,并利用数值模拟结果对现场2口井的压裂参数进行优化。数值模拟结果表明:水力裂缝长度、簇间距、水平应力差、压裂次序对水力裂缝形态影响显著;裂缝诱导应力场对裂缝形态影响程度随裂缝长度增加逐渐增强,随簇间距和水平应力差的增大逐渐降低;水力压裂次序可以明显改变诱导应力场分布,合理利用能增加有效裂缝长度。现场压裂参数优化后的2口井产能得到明显提高,证明了数值模型的可行性。     

钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

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。     

大安寨介壳灰岩力学参数特征及水力压裂物理模拟研究

通过大安寨先导井焦页3-2HF井下全尺寸岩心及对应储层介壳灰岩露头岩心,开展介壳灰岩微观特征、岩石力学参数及水力压裂裂缝扩展物理模拟试验。结果表明:(1)介壳灰岩层间微缝隙及次生微孔隙较发育,孔隙度在0.04%~4.5%,平均1.4%左右,局部裂缝发育;(2)介壳灰岩在平行与垂直层理面方向存在弱各向异性特征,单轴压缩表现明显的硬脆性特征,有利于压裂缝的起裂与扩展延伸;(3)三轴压缩围压增加,试样的承载力和刚度提高,屈服应力和峰值强度增大,弹性模量较单轴时明显增大,破裂模式由脆性向延性转化;(4)介壳灰岩压裂后主要形成垂直于最小水平主应力方向的压裂裂缝,同时压裂缝可沟通天然裂缝,形成交叉压裂缝,有利于提高油气采收率通道。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验分析

本文主要采用的是大尺寸的三轴试验系统对页岩进行水力压裂的裂缝扩展实验,通过对压裂后裂缝延伸路径的观察,结合页岩内部实际水力压裂裂缝经过工业CT的扫描,研究出了各种外界因素对页岩压裂裂缝扩展规律的影响。从研究的结果中可以看出,对缝网复杂度的影响排量起到了一定的作用;应力差越大,也就是主裂缝与更多的天然裂缝相连,使缝网更加复杂;岩层的层理和胶结构强度等都会影响到压裂缝网的复杂度;水力压裂可能会使页岩层理分张,形成水平缝与垂直缝的交叉,产生体积裂缝缝网。     

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。     

双塔型高层建筑风压分布的数值模拟

双塔型高层建筑周围存在着较为复杂的绕流风场,其表面风压的分布是结构和覆面设计的依据。结合一双塔联体型高层建筑的周围风场和表面风压的研究,以Reynolds时均数值模拟的方法,采用k-εRNG湍流模型,对其风场和风压进行了数值模拟。模拟的风压结果与边界层风洞试验的测试结果进行了比较,两者之间吻合较好,表明通过数值模拟可较准确迅速地获得该类体型建筑表面风压分布的规律和特征。     

油藏多相流体渗流流-固耦合数学模拟研究

实践表明，油藏开发将引起应力场的变化、导致岩石发生变形、改变储层的渗储特性，进而影响产量。为反应这一问题，建立了油藏流-固耦合渗流模型，并考虑了以下因素：多相流体，油藏岩石变形，地应力、孔隙度和渗透率变化，流体渗流与岩石应变耦合等。导出的控制方程是基于流体孔隙压力、饱和度以及岩石质点位移的非线性方程。由于互含参变量，不能直接求解，采用有限差分方法将流体渗流和岩石应变方程离散成主对角占优的7对角矩阵，采用隐式迭代方法求解。示例分析说明，本模型可用于研究应力、应变、孔隙度和渗透率的动态变化规律以及可能对生产造成的影响。与其他模型对比结果显示，本模型更接近于实际情况。     

裂隙岩体稳定/非稳定渗流数值模拟

 发展裂隙岩体稳定/非稳定的渗流数值模型,一方面,依照裂隙面的密度、产状、位置、大小和开度的统计分布规律,使用蒙特卡罗模拟技术将完整岩石切割为三维不规则块体集合。根据相邻块体单元间产生的裂隙单元,构建三维裂隙网络系统,并附加各裂隙单元的水力特性;另一方面,对裂隙单元进行三角形单元的有限元网格划分,运用变分原理导出裂隙单元的渗流有限元求解方程。采用离散元方法中的动态松驰技术,在无须组装整体渗透矩阵的情况下求解裂隙网格各结点的水头值。最后,通过典型算例验证程序的可靠性及适用性。     

隧道施工中双软管混合式通风的风量配置

双软管混合式通风与一般的混合式通风有着不同的特点。本文在详细分析其有效新风量变化规律的基础上,提出了确定控制风量和风量配置的方法,并对几种风量配置方法的经济合理性进行了分析比较。     

突扩流的数值模拟

通过二阶全展开ETG有限元方法及其与大涡模拟的结合 ,对不同雷诺数条件下的突扩流动进行模拟 ,得到的计算结果与相关文献符合良好     

剪切条件下单裂隙渗流机制试验及三维数值分析研究

为研究裂隙内部接触面对其过流能力的影响,设计具有相同接触率、不同接触面分布方式的2组平行板裂隙以及1组具有天然特征的人工裂隙,分别进行渗流试验和剪切–渗流试验,并对试验过程进行有限元数值模拟。数值模拟结果与试验结果的对比表明,相对于一维的立方定律和二维的Reynolds方程,基于三维的Navier-Stokes方程的数值方法更能精确模拟出裂隙内过流的实际状态。裂隙的过流能力不仅受接触率和接触面分布方式影响,还受雷诺数的影响。雷诺数较大时,随着雷诺数的增大,裂隙的水力传导系数降低;同时,接触面的附近区域还会观察到回流,这被认为是导致裂隙水力传导系数降低的重要因素之一。     

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

办公建筑通风系统的气流组织形式影响研究

针对一典型办公建筑,在层式通风方式下,采用Navier-Stokes方程和RNG的k-ε涡粘性湍流模型,对不同送、回风口布置下的办公室气流组织进行流体力学仿真研究,对比分析其人员呼吸区的空气品质和房间的排污效率(CRE)。结果表明,对于采用层式通风方式的典型办公建筑,送风口设置在Δh=20cm处能使呼吸区获得更好的空气品质,同时CRE值也最低;并且在此送风方式下,采用上部回风时呼吸区空气品质更优,而在房间的排污效率方面,异侧回风较同侧回风效果更佳。     

基督城易液化场地数值模拟研究

易液化场地地震动响应是研究砂土液化的关键,为还原真实地震下土体的地震动响应(剪应变、超静孔压等),文中开展了基督城易液化场地的数值模拟研究,结合Shake2000和Deepsoil两种一维场地分析软件,并采用非线性时域算法计算得到了基督城在2010年9月和2011年2月两次大震下场地地震响应,其计算得到的地表加速度谱与实际记录的加速度谱较为一致再加上现有的基督城现场液化调查结果与数值计算结果吻合,说明该方法是合理有效的。此外,该数值计算结果可为基督城场地抗液化设计评价提供参考。