一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，具体为：收集干热岩地热储层的物理参数、拟注入的压裂液参数和工程参数；根据工程参数，绘制拟模拟压裂的岩体形状，得到计算域；对计算域添加热

【技术实现步骤摘要】
一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法


[0001]本专利技术属于干热岩地热能开发的人工热储建造
，具体涉及一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法。

技术介绍

[0002]随着经济的发展，传统化石能源的供应日益紧缺。为实现节能减排和碳中和目标，可再生能源在能源消费结构中的比重将提高。地热能作为一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源，在实现碳中和目标中发挥着重要作用。干热岩是地热能最主要的存储介质，其开发主要基于使用增强型地热系统来提取内部热量。利用水力压裂等工程技术，在深部地下低渗透干热岩中形成人工储热结构，从而在长期内经济地产生可观的热能。
[0003]然而深部岩体完整，水力压裂困难，因此钻井往往选择在天然裂隙发育和断层带区域，这些区域地应力复杂，天然裂隙分布情况未知，导致水力压裂工程设计时裂隙扩展预测困难。如果水力压裂不能准确预测，可能造成压裂液漏失严重。室内试验受限于苛刻的条件无法有效开展，因此干热岩水力裂缝扩展数值模拟是有必要的。
[0004]高温深层地层进行水力压裂施工时，低温压裂液快速注入高温地层，压裂缝中的液体与地层快速进行热交换，地层岩石的力学性能因水冷冲击作用而劣化，并且因为冷却收缩而产生低温诱导热应力，两者共同作用可以有效抵消部分岩石起裂时阻力。然而，目前的多数水力压裂设计裂缝扩展模型尚未考虑到水冷冲击对岩石力学性能的劣化作用给裂缝扩展所带来的影响，存在一定的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，从而准确的预测起裂压力及储层水力裂缝扩展形态。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、收集干热岩地热储层的物理参数、拟注入的压裂液参数和工程参数；
[0008]步骤2、根据工程参数，利用COMSOL绘制拟模拟压裂的岩体形状，得到计算域，并利用MATLAB实现岩石非均匀性的Weibull 分布；
[0009]步骤3、对计算域添加热
‑
流
‑
固多物理场，建立相互的耦合关系，形成热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型；
[0010]步骤4、对热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型进行全耦合计算，将结果导入MATLAB进行损伤变量计算；
[0011]步骤5、将损伤变量导入COMSOL中计算损伤对各参数的影响，并重复步骤4，直到该注入压力下损伤变量不再增加，即损伤稳定；
[0012]步骤6、增加注入压力p
inj
，重复步骤4、5进行循环计算，直至岩体完全破裂即可停止计算，即可确定压裂结束时裂隙扩展形态。
[0013]本专利技术的特点还在于，
[0014]步骤1中，物理参数包括：最大水平主应力、最小水平主应力、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石抗拉强度、岩石孔隙度、岩石密度、地层原始温度、岩石渗透率、岩石热膨胀系数、岩石导热系数、岩石比热容、岩石非均质系数、岩石传热系数；压裂液参数包括：压裂液黏度、压裂液密度、压裂液导热系数、压裂液比热容、压裂液温度；工程参数包括：井筒直径和井间距。
[0015]步骤3中，热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型方程为：
[0016]固体力学方程：
[0017]式中，μ和λ为拉梅常数；α为Biot系数；α
T
为岩石的热膨胀系数；K为岩石的排水体积模量，K＝(2μ+3λ)/3；u
i
和F
i
分别为体力和位移在i方向的分量，其中分别为体力和位移在i方向的分量，其中p
,i
和T
,i
为孔隙压力和温度在i方向的分量；
‑
αp
,i
为有效孔隙压力作用项；
‑
Kα
T
T
,i
为热应力项；
[0018]流体流动方程：
[0019]式中，ρ
l
为流体的密度；ε
v
为体积应变；φ为岩体孔隙率，其中φ0为初始孔隙度，φ
r
为强应力状态下的残余孔隙度，α
φ
为孔隙度对应力的敏感系数，为平均有效应力；β
l
为流体的压缩系数；k为岩体的渗透率；μ
l
为流体的动力黏滞系数；为梯度算子；为孔隙压力梯度；Q
m
为流体的源汇项；α
l
为流体的热体积膨胀系数；为应力作用项；为温度作用项；
[0020]传热方程：
[0021]式中，(ρC)
eff
＝ρ
s
C
s
(1
‑
φ)+ρ
l
C
l
φ和λ
eff
＝λ
s
(1
‑
φ)+λ
l
φ分别表征干热岩的等效体比热容和导热系数，其中λ
s
和C
s
分别为岩体的导热系数和比热容，C
l
和λ
l
分别为流体的比热容和导热系数；Q
T
为对流热通量，Q
T
＝h(T
ext
‑
T)，h为对流换热系数，T
ext
为外部温度；为热弹性阻尼项，为流速影响的热对流项。
[0022]水冷冲击作用对岩石力学参数的劣化：
[0023]弹性模量：E(ΔT)＝E(T0)(1.348
‑
0.347e
0.00215ΔT
)
[0024]抗拉强度：f
t
(ΔT)＝f
t
(T0)(1.31
‑
0.31e
0.002ΔT
)
[0025]式中，E(T0)和f
t
(T0)分别为初始弹性模量和抗拉强度；降温幅度ΔT＝T0‑
T，T0为岩石压裂前的初始温度，T为岩石受水冷冲击后的温度。
[0026]步骤4中，全耦合计算方法为：将干热岩地热储层的物理参数和压裂液参数代入
热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型中，上方和右方分别设置最大主应力和最小主应力的均布边界荷载，下方和左方设置为辊支撑，四周为不透水边界，圆孔为压力边界，四周为绝热边界，圆孔为对流热通量边界，外部温度设置为压裂液温度；定义岩石初始渗透压力为零，初始温度为储层温度，输入初始注入压力p
inj
，开始瞬态计算，得到温度、压力、应力和应变分布；
[0027]损伤变量计算方程为：
[0028]最大拉应力准则：F＝σ
t
‑
f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、收集干热岩地热储层的物理参数、拟注入的压裂液参数和工程参数；步骤2、根据工程参数，利用COMSOL绘制拟模拟压裂的岩体形状，得到计算域，并利用MATLAB实现岩石非均匀性的Weibull分布；步骤3、对计算域添加热
‑
流
‑
固多物理场，建立相互的耦合关系，形成热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型；步骤4、对热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型进行全耦合计算，将结果导入MATLAB进行损伤变量计算；步骤5、将损伤变量导入COMSOL中计算损伤对各参数的影响，并重复步骤4，直到该注入压力下损伤变量不再增加，即损伤稳定；步骤6、增加注入压力p
inj
，重复步骤4、5进行循环计算，直至岩体完全破裂即可停止计算，即可确定压裂结束时裂隙扩展形态。2.根据权利要求1所述的一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，其特征在于，所述步骤1中，物理参数包括：最大水平主应力、最小水平主应力、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石抗拉强度、岩石孔隙度、岩石密度、地层原始温度、岩石渗透率、岩石热膨胀系数、岩石导热系数、岩石比热容、岩石非均质系数、岩石传热系数；压裂液参数包括：压裂液黏度、压裂液密度、压裂液导热系数、压裂液比热容、压裂液温度；工程参数包括：井筒直径和井间距。3.根据权利要求1所述的一种考虑水冷冲击作用的干热岩水力裂缝扩展计算方法，其特征在于，所述步骤3中，热
‑
流
‑
固多物理场耦合模型方程为：固体力学方程：式中，μ和λ为拉梅常数；α为Biot系数；α
T
为岩石的热膨胀系数；K为岩石的排水体积模量，K＝(2μ+3λ)/3；u
i
和F
i
分别为体力和位移在i方向的分量，其中分别为体力和位移在i方向的分量，其中p
,i
和T
,i
为孔隙压力和温度在i方向的分量；
‑
αp
,i
为有效孔隙压力作用项；
‑
Kα
T
T
,i
为热应力项；流体流动方程：式中，ρ
l
为流体的密度；ε
v
为体积应变；φ为岩体孔隙率，其中φ0为初始孔隙度，φ
r
为强应力状态下的残余孔隙度，α
φ
为孔隙度对应力的敏感系数，为平均有效应力；β
l
为流体的压缩系数；k为岩体的渗透率；μ
l
为流体的动力黏滞系数；为梯度算子；为孔隙压力梯度；Q
m
为流体的源汇项；α
l
为流体的热体积膨胀系数；为应力作用项；为温度作用项；
传热方程：式中，(ρC)
eff
＝ρ
s
C
s
(1
‑
φ)+ρ
l
C
l
φ和λ
eff
＝λ
s
(1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛熠，刘帅，刘嘉，王林潮，梁鑫，白雪，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：