一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法技术

本发明专利技术公开一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，包括以下步骤：S1.对待测岩体进行分析运算，获得所述待测岩体的基本变量；S2.基于双内聚力准则和所述待测岩体的基本变量获取岩体断裂情况；S3.基于所述岩体拉伸、剪切断裂情况进行多尺度模拟分析，获得所述岩体压裂裂缝扩展情况。本发明专利技术能够通过双内聚力断裂准则检测流体驱动拉伸和剪切型裂缝的起裂和扩展，并且考虑了流

【技术实现步骤摘要】
一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法


[0001]本专利技术涉及矿业新能源(煤层气、致密气、页岩气)的水力压裂开发
，特别涉及一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法。

技术介绍

[0002]随着国家社会经济的发展，国家对于油气资源的需求越来越大，开发深部能源成为是国家能源安全的战略需求。为提高国家的油气资源产量，必须从难度更大的深部低渗透致密油气储层出发。对于低渗透储层的开发，目前常用的技术是大规模水力压裂，即利用地面大功率泵将压裂液流体注入储层中，在储层中形成复杂裂缝网络，通过压裂裂缝网络成为油气产出的通道，降低油气渗流的阻力、扩大油气渗流面积。对水力压裂缝网的控制、评估和优化成为优化压裂效果，提高油气产出率的关键，准确裂缝扩展类型与扩展行为成为亟需开展的工作。
[0003]水力压裂过程涉及到压裂液驱动裂缝扩展的复杂物理过程，如岩体基质的变形、压裂液在岩体基质与裂缝网络中的流动、压裂裂缝网络的扩展演化的相互耦合行为，展示出流体与固体的相互耦合作用。目前压裂液驱动裂缝扩展模拟中，多认为裂缝为拉伸型裂缝，但实际监测与物理实验发现存在剪切型破坏和裂缝扩展现象，这对拉伸型与剪切型的模拟方法提出较高要求，在实验室尺度和工程尺度等多个物理尺度下将实际水力压裂缝网扩展过程可视化。
[0004]目前，水力压裂裂缝扩展数值模拟技术中存在以下几种断裂准则：(1)最大拉应力准则：认为破裂沿第一主应力作用的方向扩展且裂隙开始扩展的应力条件是裂隙端部的第一主应力等于材料的抗拉强度；(2)基于能量的断裂准则：认为裂缝扩展时会释放出一定量的应变能，只有当裂缝扩展单位长度所释放出的应变能大于克服阻力所需的功时，裂缝才会发生扩展。因此，将临界能量释放率作为裂缝开裂的判据；(3)基于应力强度因子的断裂准则：应力强度因子描述了裂缝周边塑性区域的应力状态，把影响裂纹尖端性状的各种因素综合为裂尖应力应变场强度，以数值表示了不同裂纹尖端趋向开裂的严重程度。该准则认为当材料的应力强度因子大于其断裂韧度时，材料发生脆性断裂。其中，最大拉应力准则是基于应力的准则，难以描述断裂过程的能量耗散过程，并且应用范围相对较为局限，只能用于判断拉伸型的压裂裂缝扩展；基于能量的断裂准则未能很好地考虑塑性变形、损伤演化与应力集中在能量平衡中所起的作用，并且目前用于水力压裂的能量型断裂准则只能考虑拉伸型裂缝的起裂和扩展，难以判断复杂应力状态下的多类型压裂裂缝扩展；基于应力强度因子的断裂准则，难以描述断裂过程的能量耗散过程，同样难以表征岩体断裂过程中的塑性变形、损伤演化行为。
[0005]关于岩体的流
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固耦合研究主要有两种方法
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离散法与等效连续法。离散法则是在确定每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的情况下，以单条裂隙水流基本公式为基础，利用流入、流出各裂隙交叉点流量相等条件来求其水头值。离散法建立的这种模型假定岩块为刚性或可变形的，不连续面由节理单元模拟，更接近于研究实际。通过离散法的处理技
术，发展出采用离散颗粒组装表征固体结构的离散单元法，该方法通过刚性颗粒体与颗粒体之间的粘结力(如弹簧力)形成结构体，该方法中离散颗粒体的数目、大小、颗粒粘结力等对解答影响显著，数值分析的工作量较大。等效连续法就是把裂隙中的渗流量等平均到岩体中去，在得到等效连续介质模型之后利用经典的多孔弹性岩体介质分析方法来进行研究；但只要样本的代表性单元体积存在，并且相对于研究网格来说不是很大，则应该尽量采用等效连续介质模型进行分析。对于岩体流
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固耦合，常用的数值模拟方法有三种：有限差分法、有限元法以及扩展有限元法。利用有限差分法或有限元法，将控制方程在时间、空间上离散，结合初始条件和边界条件即可计算出每个时间步中流
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固耦合过程的变化情况。采用有限元模型，存在一定的局限性，网格在创建后不容易改变，需要进一步的网格细化。从数学角度看，有限差分法比有限元法近似程度高，但应用上后者远比前者简单灵活；有限体积法在有限差分法的基础上进行发展，目前多被应用于处理流体流动问题。经过开发的扩展有限元方法可以模拟多个水力裂缝，通过单元改善了裂缝扩展，但是计算结果的准确性仍然取决于网格生成质量。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提出一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够通过双内聚力断裂准则检测流体驱动拉伸和剪切裂缝的起裂和扩展，并且考虑了水力耦合和漏失效应，能够实现多尺度下水力裂缝的动态扩展检测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1.对待测岩体进行分析运算，获得所述待测岩体的基本变量；
[0009]S2.基于双内聚力准则和所述待测岩体的基本变量获取岩体拉伸、剪切断裂情况；
[0010]S3.基于所述岩体拉伸、剪切断裂情况进行多尺度模拟分析，获得所述岩体压裂裂缝扩展情况。
[0011]优选地，所述待测岩体为含流体的多孔弹性岩体介质。
[0012]优选地，所述含流体的多孔弹性岩体介质的基本变量包括固体的基本变量和流体的基本变量。
[0013]优选地，所述固体的基本变量包括位移、速度和加速度；所述流体的基本变量包括流体压力和速度。
[0014]优选地，获取所述岩体拉伸、剪切断裂情况之前还包括：对所述S1中待测岩体的基本变量进行迭代，使所述固体的变形和所述流体的流动处于平衡状态，得到平衡状态下所述固体的位移和所述流体的压力。
[0015]优选地，所述S1中的分析运算采用有限元
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离散元
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有限体积模型分析运算方法。
[0016]优选地，所述S2中的双线性内聚力准则具体为：
[0017][0018][0019]式中，σ为拉伸应力；τ为剪切应力；ε0为拉伸应力达到最大值时的拉伸应变值；ε
f
为发生拉伸断裂时的拉伸应变值；γ0为剪切应力达到最大值时的剪切应变值；γ
f
为发生剪切断裂时的剪切应变值；G
tf
和G
sf
分别是拉伸断裂能和剪切断裂能。
[0020]优选地，所述S3中的多尺度模拟分析包括实验室尺度和工程尺度。
[0021]优选地，所述S3中的岩体压裂裂缝扩展情况的类型包括拉伸型和剪切型。
[0022]本专利技术公开了以下技术效果：
[0023]1.将双内聚力断裂准则用于检测流体驱动拉伸和剪切型裂缝起裂和扩展，克服了传统压裂裂缝以拉伸型为主的断裂准则、难以有效描述断裂过程的能量耗散过程和塑性变形、损伤演化行为等局限性，而且适用于压裂过程中形成拉伸型和剪切型裂缝起裂与扩展的多裂缝复杂缝网的情况，可以更为客观地、真实地反映复杂裂缝网络的形成力学机制。
[0024]2.成功引入并实现了通过有限元
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离散元
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.对待测岩体进行分析运算，获得所述待测岩体的基本变量；S2.基于双内聚力准则和所述待测岩体的基本变量获取岩体拉伸、剪切断裂情况；S3.基于所述岩体拉伸、剪切断裂情况进行多尺度模拟分析，获得所述岩体压裂裂缝扩展情况。2.根据权利要求1所述的基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，其特征在于，所述待测岩体为含流体的多孔弹性岩体介质。3.根据权利要求2所述的基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，其特征在于，所述含流体的多孔弹性岩体介质的基本变量包括固体的基本变量和流体的基本变量。4.根据权利要求3所述的基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，其特征在于，所述固体的基本变量包括位移、速度和加速度；所述流体的基本变量包括流体压力和速度。5.根据权利要求3所述的基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，其特征在于，获取所述岩体拉伸、剪切断裂情况之前还包括：对所述S1中待测岩体的基本变量进行迭代，使所述固体的变形和所述流体的流动处于平衡状态，得到平衡状态下所述固体的位移和所述流体的压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永亮，张辛，王国诚，郝耐，武建勋，
申请(专利权)人：王永亮，
类型：发明
国别省市：