基于ABAQUS平台的水力压裂裂缝扩展模拟研究
发布时间：2020-12-07 06:45
为了研究水力压裂过程中裂缝在储层中的扩展规律及其扩展过程中缝间的相互干扰作用,以cohesive单元为基础建立数值模拟简化模型,研究分析了不同储层地质参数及天然裂缝发育地层对水力裂缝扩展的影响。通过对比发现:在高脆性的储层中实施水力压裂可提高水力裂缝的穿透性,可压性好;同时高地应力差有助于增加缝长,但对缝宽影响不大;然而在裂缝发育地层中,较高应力差下缝间的相互干扰有利于激活地层中的天然裂缝,进而相互连接形成复杂水力裂缝网络。利用水力裂缝扩展有限元方法,对不同裂缝参数以及不同工作制度下裂缝扩展轨迹进行数值模拟,研究分析了裂缝的变化规律以及缝间的应力干扰。通过对比发现:单裂缝时增加初始裂缝角度,水力压裂前期裂缝偏转角、缝宽、起裂压力增加,但压裂结束后缝长略微减小;近距离直裂缝同时压裂时缝间应力干扰作用明显,但裂缝起裂初期并未发生偏转,且裂缝直线延伸距离与裂缝间距成正比;近距离斜裂缝压裂时缝间会形成较强的应力干扰作用,裂缝尖端出现偏转或者闭合停止扩展,裂缝两侧延伸路径呈现非对称;多裂缝间应力干扰区域的重叠且变化较为剧烈,可改变不同阶段裂缝宽度与裂缝扩展方向。本文基于ABAQUS平台进行数值模...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔介质中结构简化示意图
第二章水力压裂模拟的数学模型13当多孔介质的边界在受外部载荷时，固体骨架将会发生变形使接触面处产生有效应力。由于多孔介质中流体够承担并传递压力，同时孔隙中流体的流动状态和压力都会发生改变，其孔隙流体能够承担一部分的外载荷，所以外载荷将由固体承受的应力和流体压力共同承担。因此，当岩石在承受外部施加的载荷时，研究孔隙压力与外载荷间的相互作用是有效应力原理的基础，而水力压裂过程中出现的渗流场与应力场的耦合都要涉及到有效应力原理，所以有效应力原理对岩土力学的研究十分重要。图2-2多孔介质有效应力示意图如图2-2所示，边界所加载的总应力用表示，固体骨架承受的有效应力用表示、湿润流体的平均流体压力用Pw表示，其它不湿润流体的平均压力用Pnw表示，则有效应力原理的表达式为：=[+(1)]（2-1）式中：—有效应力，Pa；—总应力，Pa；—润湿相饱和度，无量纲因子；—润湿相压力，Pa；—非润湿相压力，Pa；—[1，1，1，0，0，0]T单位矩阵。对于Terzaghi有效应力表达式，以及Boit[63]修改后Boit常数为1时的有效应力表达式，同式2-1所表述的相等效。式中，总应力和有效应力为二阶张量用矩阵表示，规定拉应力为正，当受压时孔隙压力则取正值，为单位矩阵；无量纲因子主要和饱和度和流固耦合界面的表面张力密切相关，在多孔介质中的取值在0至1之间变化。为了水力压裂过程中计算模型的进一步简化，假设整个模型中的不湿润相压力保持恒定，并且相对而言远小于湿润相压力，因此Pnw可以忽略不计。当油藏处于完全饱和状态时（=0），有效应力原理表达式简化成如下形式：=（2-2）
第二章水力压裂模拟的数学模型19应变间的变化关系式：=[0+(1)0+]31+1+(1)（2-30）2.3裂缝扩展基本方程2.3.1Cohesive单元简介如图2-3所示：三维空间中cohesive单元结构可分为三层，每一层会出现四个节点，不同节点所表征的模拟参数不用。采用cohesive单元模拟水力裂缝起裂与延伸时其单元并不代表真实的岩石，仅用于简化模拟岩石破坏时岩石结构间的作用力。对于模拟水力裂缝在cohesive单元里的起裂与扩展过程的中裂缝的扩展路径，只有依赖于cohesive单元网格且扩展过程中水力裂缝不能发生转向，只能按照预设的cohesive单元进行裂缝的扩展延伸。图2-3三维cohesive单元2.3.2单元的本构模型用于描述油藏变形过程中应力-应变关系的数学模型称之为本构模型。当油藏岩石处于弹性状态时对地层岩石进行有限元分析，此时岩石变形的本构模型其实就是广义虎克定律，即：{}=[]{}式中：[]方弹性本构矩阵，各向同性线弹性模型的应力-应变具体表达式为：{112233121323}=[1/E//000/1/E/000//1/E0000001/G0000001/G0000001/G]{112233121323}（2-31）式中：E—杨氏模量；G—剪切模量；—泊松比；
本文编号：2902830
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔介质中结构简化示意图
第二章水力压裂模拟的数学模型13当多孔介质的边界在受外部载荷时，固体骨架将会发生变形使接触面处产生有效应力。由于多孔介质中流体够承担并传递压力，同时孔隙中流体的流动状态和压力都会发生改变，其孔隙流体能够承担一部分的外载荷，所以外载荷将由固体承受的应力和流体压力共同承担。因此，当岩石在承受外部施加的载荷时，研究孔隙压力与外载荷间的相互作用是有效应力原理的基础，而水力压裂过程中出现的渗流场与应力场的耦合都要涉及到有效应力原理，所以有效应力原理对岩土力学的研究十分重要。图2-2多孔介质有效应力示意图如图2-2所示，边界所加载的总应力用表示，固体骨架承受的有效应力用表示、湿润流体的平均流体压力用Pw表示，其它不湿润流体的平均压力用Pnw表示，则有效应力原理的表达式为：=[+(1)]（2-1）式中：—有效应力，Pa；—总应力，Pa；—润湿相饱和度，无量纲因子；—润湿相压力，Pa；—非润湿相压力，Pa；—[1，1，1，0，0，0]T单位矩阵。对于Terzaghi有效应力表达式，以及Boit[63]修改后Boit常数为1时的有效应力表达式，同式2-1所表述的相等效。式中，总应力和有效应力为二阶张量用矩阵表示，规定拉应力为正，当受压时孔隙压力则取正值，为单位矩阵；无量纲因子主要和饱和度和流固耦合界面的表面张力密切相关，在多孔介质中的取值在0至1之间变化。为了水力压裂过程中计算模型的进一步简化，假设整个模型中的不湿润相压力保持恒定，并且相对而言远小于湿润相压力，因此Pnw可以忽略不计。当油藏处于完全饱和状态时（=0），有效应力原理表达式简化成如下形式：=（2-2）
第二章水力压裂模拟的数学模型19应变间的变化关系式：=[0+(1)0+]31+1+(1)（2-30）2.3裂缝扩展基本方程2.3.1Cohesive单元简介如图2-3所示：三维空间中cohesive单元结构可分为三层，每一层会出现四个节点，不同节点所表征的模拟参数不用。采用cohesive单元模拟水力裂缝起裂与延伸时其单元并不代表真实的岩石，仅用于简化模拟岩石破坏时岩石结构间的作用力。对于模拟水力裂缝在cohesive单元里的起裂与扩展过程的中裂缝的扩展路径，只有依赖于cohesive单元网格且扩展过程中水力裂缝不能发生转向，只能按照预设的cohesive单元进行裂缝的扩展延伸。图2-3三维cohesive单元2.3.2单元的本构模型用于描述油藏变形过程中应力-应变关系的数学模型称之为本构模型。当油藏岩石处于弹性状态时对地层岩石进行有限元分析，此时岩石变形的本构模型其实就是广义虎克定律，即：{}=[]{}式中：[]方弹性本构矩阵，各向同性线弹性模型的应力-应变具体表达式为：{112233121323}=[1/E//000/1/E/000//1/E0000001/G0000001/G0000001/G]{112233121323}（2-31）式中：E—杨氏模量；G—剪切模量；—泊松比；
本文编号：2902830
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