基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法技术

本发明专利技术提供一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法，通过将煤岩体试样离散为一组刚性颗粒，并建立离散元颗粒集合体；赋予颗粒间接触力使颗粒结合体胶结构建BPM模型；在BPM模型中引入流体、流体域和流体管道，实现颗粒集合体渗流作用；赋予流体力学参数；赋予BPM模型水力压裂模拟；在相同的定压稳态参数状态下，分别测量BPM模型在水力压裂状态前后的渗透率；通过比对渗透率，实现BPM模型水力压裂增透效果量化。本发明专利技术提供的方法，操作过程简易，模拟效果准确可靠。并且不局限于特定岩土或压裂液，对于物理实验难以复刻的复杂地质条件，通过模拟可以轻松实现，对于优化水力压裂参数以及提高煤层气开采效率具有重要的工程指导意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法


[0001]本专利技术涉及应用仿真分析
，并具体涉及一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法。

技术介绍

[0002]瓦斯气体抽采作业中，对于具有低渗透率、高密度特点的煤岩体，普遍使用水力压裂技术预先进行煤岩体层内卸压增透，以此扩大钻孔有效影响范围，提高瓦斯气体抽采效果。由于不同地域的煤岩体地质参数各异；水力压裂技术的实施成本较高；以及该技术为破坏性作业，不具备多次实验的条件；因此，技术人员通常采用室内模拟实验，来研究水力压裂过程中不同因素对煤岩体增透效果的影响。
[0003]但是，室内模拟实验存在以下问题：
①
试件加工难度大；
②
煤岩体实际地层条件难以复刻；
③
水力压裂过程不可视等。在此背景下，技术人员将仿真技术引入水力压裂研究之中，其中，离散元法作为应用较为普遍的仿真技术，在大变形量、非连续介质的力学问题研究中具备优异的适用性。
[0004]现使用离散元法进行的水力压裂模拟实验，主要是针对水力裂缝的发育、拓展规律，以及岩石破坏形式和破坏区域，其目的在于探究水力压裂作用下，煤岩体裂缝扩展的机理，对于水力压裂增透技术的效果则没有直接的体现。而对于瓦斯抽采作业而言，其需要评估的是煤岩体在进行水力压裂作业后的增透效果，以及不同因素对煤岩体压裂增透效果的影响，以便于指导生产作业，因此，本专利技术提供了一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述存在的现有技术问题，本专利技术提供一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法，包括以下步骤：S1，获取煤岩体试样实际物理力学参数，所述物理力学参数包括：杨氏模量、抗拉强度、抗剪强度、摩擦角、摩擦系数和泊松比；S2，建立煤岩体试样离散元颗粒集合体模型；S3，赋予所述颗粒集合体模型平行粘结接触力，使不同数量的颗粒胶结，生成煤岩体试样BPM模型；S4，在所述煤岩体试样BPM模型中赋予流体管道和流体域，所述流体管道是指颗粒集合体中颗粒间的接触，所述流体域是指相邻且接触的颗粒中心点围成的多边形封闭区域；S5，赋予煤岩体试样BPM模型渗流水力学参数，所述水力学参数包括：流体管道初始开度、流体域表观体积、裂缝残余开度放大系数、流体体积模量、开
度半开压缩力和流体粘度；S6，赋予所述煤岩体试样BPM模型固定值围压，自煤岩体试样BPM模型的外表面中心位置，向内钻出一定尺寸的注射孔，在所述煤岩体试样BPM模型的一侧施加固定值的进口压力P1，在其另一侧施加固定值的出口压力P2，且 P1> P2；在所述煤岩体试样BPM模型的平均孔压和总流量至二者达稳定态时，计算煤岩体试样BPM模型的渗透率K0；S7，去除步骤S6中赋予所述煤岩体试样BPM模型的围压、进口压力和出口压力后，自步骤S6中所述注射孔处，向所述煤岩体试样BPM模型赋予一定流量值和一定压力值的流体，赋予所述煤岩体试样BPM模型水力压裂模拟，记录所述煤岩体试样BPM模型的颗粒状态和裂缝状态；S8，去除步骤S7中赋予煤岩体试样BPM模型的运算结果，重复步骤S6，获得水力压裂模拟后，所述煤岩体试样BPM模型在定压稳态状态下的渗透率K1，比对渗透率K0和渗透率K1，量化所述煤岩体试样BPM模型水力压裂增透效果。
[0007]进一步的，步骤S2中建立所述煤岩体试样离散元颗粒集合体模型的方法为：设置domain，并在domain内生成具有一定尺寸的墙体，在墙体围成的空间内生成一组随机刚性颗粒，构成刚性颗粒集合体，该刚性颗粒集合体内部的颗粒为球体并具有不同的直径；赋值颗粒最小直径和粒径比；赋值颗粒集合体宏观尺寸、密度、孔隙率、刚度和阻尼。
[0008]进一步的，步骤S3中，所述接触力的参数包括杨氏模量、抗拉强度、抗剪强度、摩擦角、摩擦系数和泊松比，并且，上述所述参数取值于步骤S1中所述煤岩体试样实际物理力学参数。
[0009]进一步的，采用试错法标定所述接触力的参数。
[0010]进一步的，步骤S4中，通过所述煤岩体试样BPM模型，计算所述流体域的实际表观面积。
[0011]进一步的，所述煤岩体试样BPM模型围压包括竖向和横向压力，所述煤岩体试样BPM模型的渗透率通过达西定律计算。
[0012]进一步的，计算所述煤岩体试样BPM模型在水力压裂模拟前后的渗透率，所述煤岩体试样BPM模型处于相同参数的定压稳态状态。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术提供的基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法，通过对煤岩体实际物理力学参数的收集，基于离散元方法，建立煤岩体渗流模型，模拟水力压裂实验并完成模型渗透率测试。通过测量模型压裂前后的渗透率，来体现水力压裂过程，量化模型增透效果，操作过程简易，模拟效果准确可靠。
[0014]本专利技术所描述的方法，通过调整与校正输入参数，以及实时更新计算参数，使其能够适用于不同的实验对象，不局限于特定岩土或压裂液。对于物理实验难以复刻的复杂地质条件，通过模拟可以轻松实现，对于优化水力压裂参数以及提高煤层气开采效率具有重要的工程指导意义，同时具有优越的市场经济价值。
附图说明
[0015]图1：本专利技术所述方法的流程示意图；
图2：流体域表观面积计算原理示意图；图3：定压稳态法渗透率测试示意图；图4：压裂前煤岩体试样BPM模型渗漏率测量结果示意图；图5：压裂后煤岩体试样BPM模型渗漏率测量结果示意图。
具体实施方式
[0016]下面详细描述本专利技术。
[0017]如图1至图5所示，本专利技术提供一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法，包括以下步骤。
[0018]S1，获取某作业区域煤岩体试样，测量其实际物理力学参数。
[0019]所述物理力学参数包括：杨氏模量、抗拉强度、抗剪强度、摩擦角、摩擦系数和泊松比。
[0020]S2，建立煤岩体试样离散元颗粒集合体模型。
[0021]煤岩体作为一种不连续介质，可将其离散为一组相互接触的、球形的、具有不同大小的、刚性颗粒集合体。
[0022]本专利技术优选使用PFC软件进行煤岩体仿真模拟，下述作业步骤均在该软件内进行。PFC软件是仿真模拟
中普遍使用，且成熟运作的软件系统，本专利技术不再对其运行原理进行赘述。
[0023]设置domain，并在domain内生成具有一定尺寸的墙体，在墙体围成的空间内生成一组随机刚性颗粒，构成刚性颗粒集合体，该刚性颗粒集合体内部的颗粒为球体并具有不同的直径；赋值颗粒最小直径和粒径比；赋值颗粒集合体宏观尺寸、密度、孔隙率、刚度和阻尼。
[0024]S3，赋予刚性颗粒集合体平行粘结接触力，使不同数量的颗粒胶结，生成煤岩体试样BPM模型。
[0025]所述接触力的参数包括杨氏模量、抗拉强度、抗剪强度、摩擦角、摩擦系数和泊松比。
[0026]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DEM的煤岩体水力压裂增透效果量化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取煤岩体试样实际物理力学参数，所述物理力学参数包括：杨氏模量、抗拉强度、抗剪强度、摩擦角、摩擦系数和泊松比；S2，建立煤岩体试样离散元颗粒集合体模型；S3，赋予所述颗粒集合体模型平行粘结接触力，使不同数量的颗粒胶结，生成煤岩体试样BPM模型；S4，在所述煤岩体试样BPM模型中赋予流体管道和流体域，所述流体管道是指颗粒集合体中颗粒间的接触，所述流体域是指相邻且接触的颗粒中心点围成的多边形封闭区域；S5，赋予煤岩体试样BPM模型渗流水力学参数，所述水力学参数包括：流体管道初始开度、流体域表观体积、裂缝残余开度放大系数、流体体积模量、开度半开压缩力和流体粘度；S6，赋予所述煤岩体试样BPM模型固定值围压，自煤岩体试样BPM模型的外表面中心位置，向内钻出一定尺寸的注射孔，在所述煤岩体试样BPM模型的一侧施加固定值的进口压力P1，在其另一侧施加固定值的出口压力P2，且 P1> P2；在所述煤岩体试样BPM模型的平均孔压和总流量至二者达稳定态时，计算煤岩体试样BPM模型的渗透率K0；S7，去除步骤S6中赋予所述煤岩体试样BPM模型的围压、进口压力和出口压力后，自步骤S6中所述注射孔处，向所述煤岩体试样BPM模型赋予一定流量值和一定压力值的流体，赋予所述煤岩体试样BPM模型水力压裂模拟，记录所述煤岩体试样BPM模型的颗粒状态和裂缝状态；S8，去除步骤S7中赋予煤岩体试样BPM模型的运算结果，重复步骤S6，获得水力压裂模拟后，所述煤岩体试样BPM模型在定压稳态状态下的渗透率K1，比对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超杰，刘鲁坦，徐长航，李凯，张纪远，唐泽湘，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：