油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

基于有限元方法的水力压裂全三维全耦合数值模型及其物理实验验证

以有限元方法为基础,采用2套方程描述水力压裂过程中岩石变形、裂缝扩展、裂缝内流体流动和滤失等关键力学问题。通过同步求解2套耦合有限元方程,建立水力压裂全三维全耦合数值模拟模型。通过数值模型和经典的水力压裂物理实验对比,在流体净压力、裂缝宽度、裂缝长度及裂缝扩展模态等方面数值实验结果和物理实验结果具有良好的一致性。模型得到经典物理实验验证,同时表明裂缝宽度即使在微米级别水力压裂理论中的立方体定律仍然适用。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

考虑层理效应的页岩压裂模拟全耦合黏结单元法

页岩水力压裂技术是目前最常用的储层改造技术。页岩中存在具有方向性的不连续结构面,使其具有较为明显的层理效应,主要体现为页岩的横观各向同性。为了在水力压裂中反映层理效应,在考虑层理效应的粘结单元方法(CFEM)基础上,考虑了力学场和渗流场的相互作用,推导了界面单元全流固耦合方程。最后,通过水力压裂试验结果与模拟计算结果的对比,展现在不同地应力条件下页岩层理性对水力裂纹扩展的影响作用。在应用该方法时可以根据给定层理方向,模型自动将与层理平行(或近于平行)的粘结面转化为层面界面,而且在整个模拟过程中,不需要引入额外断裂准则,也不需要网格修正,为页岩水压致裂问题的数值模拟提供了新途径。     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

模拟两相流动问题的修正扩展有限元方法

基于SUPG/PSPG稳定化方法,在处理两相流不连续问题时,引入修正扩展有限元方法使混合单元附加形函数满足单位分解原理,给出一种模拟两相流体流动问题的扩展有限元方法.在模拟两相流体流动过程中采用水平集方法捕捉流体运动界面.利用编制的计算程序模拟液体自由晃动问题,数值模拟结果与理论解一致.进一步采用本文方法和有限元方法模拟了溃坝流动问题,并将数值结果与实验结果进行比较,结果表明本文方法更有效.本文方法能够准确捕捉流体运动过程中两相界面的变化,且具有在计算过程中无需进行网格重构的优点.     

有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用

基于有限元与离散元混合方法研究裂纹扩展模拟问题。对含原生裂纹的结构进行单元离散,用有限元计算单元内部,采用离散元计算单元界面,通过单元连接形式的转变实现连续到非连续的转化;采用平面半弹簧法进行接触判断,通过显示迭代求解运动方程,不断更新单元坐标,实现裂纹扩展的数值模拟。以单裂纹与雁形裂纹在单向位移载荷作用下的扩展为例,对比数模结果与试验结果。结果表明:采用有限元与离散元混合方法可有效模拟单、多裂纹的扩展过程;岩桥为90°的雁形裂纹受对向挤压载荷作用发生翼裂-翼裂贯通。     

有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用

基于有限元与离散元混合方法研究裂纹扩展模拟问题。对含原生裂纹的结构进行单元离散,用有限元计算单元内部,采用离散元计算单元界面,通过单元连接形式的转变实现连续到非连续的转化;采用平面半弹簧法进行接触判断,通过显示迭代求解运动方程,不断更新单元坐标,实现裂纹扩展的数值模拟。以单裂纹与雁形裂纹在单向位移载荷作用下的扩展为例,对比数模结果与试验结果。结果表明:采用有限元与离散元混合方法可有效模拟单、多裂纹的扩展过程;岩桥为90°的雁形裂纹受对向挤压载荷作用发生翼裂-翼裂贯通。     

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析

为了更好地处理天然裂缝影响下水力裂缝的扩展模拟问题,提出了区域置换与破损单元的概念和方法,在此基础上建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程,运用图形建模数值方法,分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响:天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式;位于水力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝,因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力,造成水力裂缝内有效驱动压力耗散,影响了水力裂缝的扩展。裂缝监测报告与数值分析结果一致,验证了数值分析的方法和结果。     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术

基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。     

基于嵌入式离散裂缝和扩展有限元的裂缝性页岩油藏流固耦合高效数值模拟方法

通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。该方法创新性在于:通过对裂缝进行显式降维处理,可以准确刻画水力裂缝对渗流场和应力场的影响,同时可以模拟水力裂缝开度的动态变化过程以及水力裂缝内流体压力对裂缝变形的影响;在划分网格时仅需对基岩系统进行正交网格剖分,不必考虑裂缝的几何形态,渗流场和应力场均选取一套网格,使得网格划分时的复杂度大幅降低。对于渗流方程求解采取模拟有限差分方法,满足局部质量守恒并且可以有效处理全张量形式渗透率;对于岩石力学方程求解采取扩展有限元方法,可以准确处理裂缝两侧的位移间断性。通过算例分析,本文方法的正确性与优势得以验证。     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟,较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下,压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动,裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹,而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

基于扩展有限元的裂隙岩体锚固数值分析

扩展有限元法是近年来提出的在标准有限元框架上解决不连续问题的一种有效数值方法.介绍了扩展有限元分析裂纹扩展的方法,应用扩展有限元法分析了裂隙岩体锚固,在裂纹扩展时引入了损伤准则.计算结果与文献给出的实验结果对比表明:扩展有限元法能较为精准地模拟裂纹的扩展,且不需要在裂纹处布置高密度的网格,裂纹扩展时也不需要网格重划分,为分析裂岩锚固提供了一种有效的模拟途径.     

页岩油气水力压裂的关键力学问题和数值计算方法

 论述了水力压裂过程中裂缝面内压力引起的岩石变形、裂缝的起裂和扩展、裂缝内流体的流动和流固耦合等关键力学问题,综述了用于模拟水力压裂的有限元法、扩展有限元法、边界元法、离散元法及其他相关数值计算方法的基本原理、研究进展和发展趋势,分析了各方法的优点及适用性。     

立-平轧制过程轧件角部裂纹的扩展与愈合

采用显式动力学有限元方法和几何模型更新技术，对立平交替轧制过程中轧件角部裂纹的扩展与愈合进行了数值模拟．研究了平辊身立辊和带孔型立辊两种条件下，轧件角部表面横向裂纹的形状变化、裂纹内侧面接触压力变化、裂纹表面节点的位置变化．模拟结果表明：采用平辊身立辊轧制时，轧件角部裂纹愈合较好，而采用带孔型立辊时，轧件角部裂纹在平轧后，可能再一次被拉开．模拟结果与实验结果趋势一致，研究结果对预报热轧过程中板坯的边部裂纹出现、提高产品的边部质量有参考价值．     

弹性体裂纹扩展的数值模拟

采用位移不连续法（DDM）对裂纹的扩展进行了数值模拟,首先应用DDM求解了线弹性裂纹体的应力场,再采用最小二乘法确定应力强度因子并根据线弹性复合型断裂判据进行开裂判断,从而实现裂纹开裂的模拟,取得了与实验结果较吻合的数值计算结果,文中所用方法仅需在裂纹面上直接划分单元、对开裂部分直接追加单元来实现裂纹扩展过程的动态跟踪,其数值过程简便易行。     

非均匀孔隙压力下水压致裂的数值试验

运用数值试验方法研究了非对称分布的孔隙压力梯度下水力压裂裂缝的扩展行为 ,数值试验再现了孔隙水压作用下岩石微破裂诱致宏观破坏的演化过程·数值试验结果表明 ,水力压裂裂纹的扩展不仅受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小的影响 ,同时也受控于宏观上孔隙水压梯度分布 ,在扩展方向上致裂裂纹往往偏向于高孔隙压力的区域 ,并且其压裂压力随着局部孔隙压力的增大而降低 ,数值试验研究结果与物理实验结果有较好的一致性     

地层水力压裂中的应力强度因子

本文根据弹性断裂力学的叠加原理,建立了地应力场和流体压力作用下水力压裂中孔边轴对称裂纹尖端应力强度因子K_1的近似解析表达式。这些近似公式在工程意义上是相当精确的,与可以获得的数值结果的比较表明其相对误差仅百分之几,为水力压裂中破裂压力的断裂力学方法预测和裂缝扩展过程的模拟提供了快速、简单且相当精确的方法。     

页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析

压裂实践表明,页岩储层的水力裂缝呈现出非平面、多分支的复杂延伸模式,这与传统压裂理论认为的对称平面双翼裂缝从形成机理上存在本质的区别。基于室内实验、矿场压裂实践、理论分析和数值模拟等研究成果,系统分析了页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素。研究表明:页岩储层的裂缝延伸形态受到地质因素和工程因素的双重作用,从储层地质属性上看,岩石的脆性矿物含量越高、岩石的力学弹性特征越强、水平应力差越小以及天然裂缝越发育,越有利于压裂缝的成网延伸与扩展;从压裂作业的工程条件上来说,施工净压力越高、压裂液流体黏度越低以及压裂规模越大,越有利于形成充分扩展的缝网。该研究对认识页岩储层缝网扩展机理以及提高页岩储层压裂设计的科学性具有重要的理论价值和现实意义。