一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法技术

本发明专利技术公开了一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法，包括：根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的固体变形，获得固体变量；根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量；通过迭代，获得稳定状态下的固体变量和流体变量；稳定状态中固体变量和流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展；根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展，基于计算结果更新流体驱动压裂裂缝网络，并获得流体驱动压裂裂缝网络的形态。本发明专利技术的并行有限元

【技术实现步骤摘要】
一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学与工程
，特别是涉及一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法。

技术介绍

[0002]开采深部致密油气储层中的非常规油气藏主要的开采手段是大规模的水力压裂、超临界二氧化碳压裂等流体驱动压裂形成压裂缝网的工程技术，数值模拟可以较为有效地模拟流体驱动裂缝的起裂和扩展的全部动态过程。由于流体驱动多孔弹性岩体裂缝扩展过程涉及到多物理场、多尺度断裂等复杂过程，导致目前针对流体驱动压裂过程的数值模拟方法往往具有一定局限性，无法完全高效、可靠地模拟裂缝的起裂和扩展：(1)多物理场耦合分析方面，相对准确地模拟流体驱动压裂中的流
‑
固耦合效应可以更加准确的模拟岩体裂缝扩展行为，流体和固体的物理场耦合以及动态演化过程分析使得分析过程复杂、计算过程耗时；(2)工程尺度模型分析方面，在传统的串行计算方法在求解岩体裂缝扩展问题时有一定的局限性，在进行工程尺度的数值模拟时往往需要数周乃至数月的时间，这样的计算效率无法满足实际工程需要。因此，开发有效的并行计算方法和方案成为实际工程中的需求。

技术实现思路

[0003]由于高效、可靠的数值方法和模拟技术的需求，及针对深部致密岩体的多物理场耦合、多尺度断裂行为、工程尺度储层体积压裂实施等复杂因素，对计算方法的精确性、高效性、适用性等均提出较高要求。本专利技术研究发展已经建立的岩体体积压裂有限元
‑
离散元
‑
有限体积方法与断裂准则，对固体变形、流体压力、单元连接与分离等计算过程构建基于OpenMP的并行计算方案。本专利技术的目的是提供一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术提供一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法，包括：
[0006]根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的固体变形，获得固体变量；
[0007]根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量；
[0008]通过迭代，获得稳定状态下的所述固体变量和所述流体变量；
[0009]基于所述稳定状态，所述固体变量和所述流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展；
[0010]根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展，基于计算结果更新水力压裂裂缝网络，并获得水力压裂裂缝网络的形态。
[0011]可选的，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的岩体变形，获得固体变量之前，所述方法还包括：根据所述多孔弹性岩体建立数值模型，进行网格划
分，基于流
‑
固耦合方程将多孔弹性介质转换为固体有限元模型和流体有限体积模型。
[0012]可选的，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的岩体变形，获得固体变量的过程中包括：通过所述有限元法计算固体变形的过程中，使用了OpenMP并行化来计算，获得固体变量，所述固体变量包括位移、速度和加速度。
[0013]可选的，所述使用了OpenMP并行化来计算的过程中，还包括：构建动力学惯量影响的平衡方程：
[0014][0015]式中，u(x,y,z)＝(u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z))
T
代表位移向量；与分别代表了速度向量与加速度向量；σ
e
代表考虑孔弹性岩体介质的有效应力张量；f代表外力向量；ρ代表密度；c代表阻尼系数；代表方程的微分算子；Ω代表求解域。
[0016]可选的，根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量的过程中，包括：将多孔弹性岩石基质破裂面上的裂缝和天然裂缝中流体流动的流体压力作为外荷载，通过公式(1)实现；
[0017]其中所述流体变量包括流体压力和速度。
[0018]可选的，所述流体压力的计算过程包括：利用有效应力原理，计算多孔弹性岩体基质中流体流动的流体压力，通过如下公式(2)实现：
[0019]σ
e
＝σ
‑
αpI
ꢀꢀ
(2)
[0020]式中，α为孔弹性岩体介质Biot常数，p为空隙水压力，I为单位矩阵。
[0021]可选的，所述断裂准则包括拉伸破坏准则和剪切破坏准则
[0022][0023][0024]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。
[0025]可选的，所述固体变量和所述流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展的过程中包括：
[0026]满足所述拉伸破坏准则和所述剪切破坏准则任何一个准则，就会发生裂缝起裂或扩展，形成所述流体驱动拉伸和所述剪切裂缝扩展。
[0027]可选的，根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展的过程中包括：
[0028]对固体变形的数值进行离散，再进行求解：
[0029]为求解固体变形的控制方程，有限元法将平衡方程转化为单元e上的矩阵形式：
[0030]M
e
D(t)+C
e
D(t)+K
e
D(t)＝F
e
,x,y,z∈Ω
ꢀꢀ
(5)
[0031]式中，D(t)表示由单元e的节点位移组合而成的位移向量；M
e
，C
e
和K
e
分别表示质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；和分别表示t时刻的节点速度和加速度的向量；F
e
表示
外荷载向量。其中F
e
为：
[0032][0033]式中，表示体积力；表示断裂表面的流体压力；表示相邻单元节点力；表示牵引边界上的力。
[0034]可选的，求解过程中，通过结合动态松弛法和显式迭代法进行求解，包括：
[0035]计算外部节点力、内部节点力和总节点力，其中所述外部节点力通过所述公式(6)计算获得；
[0036]计算节点加速度、节点速度和位移；
[0037]重复以上计算过程，直至收敛
[0038]本专利技术公开了以下技术效果：
[0039]本专利技术的并行有限元
‑
离散元
‑
有限体积法，可以有效地考虑流
‑
固耦合效应，从而相比与其他数值方法可以更高校地模拟岩体裂缝扩展过程。通过并行计算可以提高计算效率，这使得基于OpenMP有限元法
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的固体变形，获得固体变量；根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量；通过迭代，获得稳定状态下的所述固体变量和所述流体变量；基于所述稳定状态，所述固体变量和所述流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展；根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展，基于计算结果更新水力压裂裂缝网络，并获得水力压裂裂缝网络的形态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的岩体变形，获得固体变量之前，所述方法还包括：根据所述多孔弹性岩体建立数值模型，进行网格划分，基于流
‑
固耦合方程将多孔弹性介质转换为固体有限元模型和流体有限体积模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的岩体变形，获得固体变量的过程中包括：通过所述有限元法计算固体变形的过程中，使用了OpenMP并行化来计算，获得固体变量，所述固体变量包括位移、速度和加速度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使用了OpenMP并行化来计算的过程中，还包括：构建动力学惯量影响的平衡方程：式中，u(x,y,z)＝(u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z))
T
代表位移向量；与分别代表了速度向量与加速度向量；σ
e
代表考虑孔弹性岩体介质的有效应力张量；f代表外力向量；ρ代表密度；c代表阻尼系数；代表方程的微分算子；Ω代表求解域。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量的过程中，包括：将多孔弹性岩石基质破裂面上的裂缝和天然裂缝中流体流动的流体压力作为外荷载，通过公式(1)实现；其中所述流体变量包括流体压力和速度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流体压力的计算过程包括：利用有效应力原理，计算多孔弹性岩体基质中流体流动的流体压力，通过如下公式(2)实现：σ
e
＝σ
‑
αp...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永亮，王娟，
申请(专利权)人：王永亮，
类型：发明
国别省市：