基于不连续位移法的水力压裂流固耦合算法研究

发布时间：2020-04-25 21:13

【摘要】：非常规油气是一种储量丰富的清洁能源,但其储层渗透率非常低。水力压裂技术向储层泵入高压流体,强迫储层形成复杂缝网,从而大幅提高岩体渗透率,能显著增加非常规油气开发效率。水力压裂研究手段主要有现场试验、室内试验和数值模拟。本论文从不连续位移数值法出发,设计了一种流固弱耦合算法,编制了计算程序COUPLE.m,用于模拟水驱裂缝扩展及流体向岩体内部的渗透行为。具体内容包括:(1)将J积分和M积分计算理论应用到不连续位移法中,设计了一种高精度的应力强度因子计算方法,可用于准确预判裂缝的扩展行为。数值算例表明该方法比常规的裂尖单元算法精度有大幅提高,而且增加不连续位移单元数量可进一步提高计算精度。(2)从饱和扩散方程获取瞬时点源解,以瞬时点源解为基础给不连续位移单元附加了渗透属性,并指明了流固耦合过程中裂缝物理边界的判定方法。将渗流计算而得的流体体积值作为不连续位移计算的边界条件;而不连续位移值,将作为物理边界条件进行渗透计算,彼此迭代获取缝宽、缝内压及场点孔压的变化规律。该方法是一种弱流固耦合方法,同时也是一种非线性算法。虽不引入新的自由度,但迭代过程中缝内压是未知量,需要修改不连续位移法计算程序的求解器。本论文不进行求解器修改,从二分法角度,在缝内流体体积已经给定的条件下,数值搜寻裂缝内压,该方法收敛速度很快,且可准确获取裂缝内压。数值算例表明,不论是瞬时注入,持续注入或者是先注入后停注,该算法都可模拟任意时刻裂缝任意位置的缝宽及任意时刻任意场点的孔压值。(3)结合裂缝扩展和渗透,采用最大环向应力为破裂准则,编制了流固耦合计算程序COUPLE.m,用于模拟水驱裂缝扩展和流体向岩体内部的渗透行为。数值算例表明,水力压裂中地应力为双向压应力,且缝内有流体压力。常规最大环向应力破裂准则以单向拉伸、裂缝面自由为背景,其破裂角的解析计算公式不适用于有双向地应力的水力压裂情况。本论文采纳最大环向应力破裂准则的思想,即认为裂尖最大环向应力处为裂缝潜在扩展位置,通过在直径与裂尖单元垂直的半圆弧范围内搜寻最大环向应力,确定潜在破裂方向;而是否发生破裂则采用等效应力强度因子来判定。这本质上设计了一种数值破裂准则,适用于任何复杂的裂缝几何形状和远场应力状态。本论文提供了数值算例,计算地应力作用下I、II混合型水力裂缝的扩展,是二维水力压力弹性计算的最一般情况。算例表明,本论文编制的程序,能模拟任意远场应力情况下水驱裂缝过程中的裂缝扩展、缝宽变化以及孔压场演化等规律。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE357.1

【参考文献】