CN112818611B - 一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法 - Google Patents

一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于孔隙密度流法的单裂隙岩石水力压裂过程的数值模拟方法，首先建立岩土体离散元颗粒堆积体，即通过模拟真实世界的重力沉积过程，建立一个基础的初始地层堆积模型；通过材料训练，得到与真实物理世界材料性质相符合的材料；将岩土体离散为相互接触的固体颗粒，根据颗粒堆积骨架剖分识别孔隙，建立水力压裂数值模型。通过时间步迭代计算，直至岩土体模型平衡，输出模拟结果；本发明考虑了不同预制裂隙角度，预制裂隙角度变化引起流体密度、压力变化，基于孔隙尺度能高效地模拟十分复杂且花费巨大的水力压裂实验，解释较为复杂的宏观现象，亦能模拟不同预制裂隙下水力压裂作用。

Description

一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及油气开采技术领域，主要涉及一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法。
背景技术
岩石储层的孔隙度和渗透率很低，开采难度很大。水力压裂作为目前开采页岩气的主要形式，是提高我国油气资源利用率的重要手段。然而岩层储层低孔低渗的的特征决定了岩层储能够有效利用的关键在于能否形成有效的裂缝网络。含天然缺陷(裂隙、孔洞等)的岩体在外部荷载和水压的共同作用下，极易导致内部裂缝的发展，因此深入研究裂缝扩展的机理，对建立新的网络裂缝十分重要。然而现场水力压裂耗时长，成本巨大。而且数据往往具有很大的离散性，对于复杂宏观现象，其微观机制很难揭示。离散元法自提出以来，由于其对非连续介质较好的模拟能力，能清晰反映颗粒材料微观变形机制等优点，迅速被引入对岩土体材料的研究中。
基于离散元法的孔隙尺度的流固耦合方法主要包括有LBM-DEM法(格子玻尔兹曼-离散元法)和离散元平板流法。从本质上看，LBM数值模拟是一定密度的流体在网格节点间运移，并由密度来确定水压力等宏观参数。在MatDEM软件中，综合LBM密度流体的思想和孔隙网络模型，采用孔隙密度流的方法来实现流固耦合。由于流体的压力是其密度和温度的函数，根据孔隙中流体的质量和体积得到其密度，并由流体密度和温度得到孔隙流体的压力。采用这种改进的方法，可以同时考虑流体运移和温度变化对孔隙水压力的作用，用来模拟复杂的水力压裂过程。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种含单预制裂缝的水力压裂流固耦合的模拟方法，来模拟各种水力压裂问题，本发明中涵盖的流固耦合及渗流计算方法，更可以模拟多种岩土体流固耦合的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立Box建模器对象B，其中sampleW代表模型箱的宽，sampleL代表模型箱的长，sampleH代表模型箱的高；设置sampleL＝0，将模型设定为二维模型；
步骤S2、设置初始的样品单元平均半径和边界单元半径；其中样品最大粒径和最小粒径的比值为1+distriRate，distriRate代表样品颗粒单元半径的分散系数；
步骤S3、采用重力沉积函数B.gravitySediment模拟随机颗粒堆积过程，并采用B.compactSample压力板来压实样品；
步骤S4、输入指定宏观力学性质，包括杨氏模量，泊松比，抗拉强度，抗压强度，内摩擦系数和密度；模型根据转换公式和单元半径生成对应的单元微观力学参数和质量；
步骤S5、对材料进行自动训练，根据实测值和设定值的比例重新设定material.rate，直至各宏观力学性质收敛于设定值；
步骤S6、根据流体密度与压力、温度的关系，以密度差异和压力差异驱动孔隙流体运动；根据孔隙流体单元的压力、密度和温度，建立基于孔隙密度流法的水力压裂模型；
步骤S7、建立完水力压裂模型后，平衡水力压裂模型中的受力及能量和热量，使得整个水力压裂模型的状态趋于稳定；
步骤S8、在数值模拟过程中，在模型中制备预裂隙，随后对样品顶部施加压力，模拟轴压施加的过程；选取水力裂隙中心区域赋予不同的水压力，模拟水力压裂井筒液压加载的方式，直至样品破裂；通过反复迭代计算完成数值模拟。
进一步地，所述步骤S6中基于孔隙密度流堆积的水力压裂模型建立具体如下：
步骤S6.1、将岩土体离散为相互接触的固体颗粒，根据颗粒尺寸、颗粒半径生成固体颗粒随机堆积模型；
步骤S6.2、根据固体颗粒间距离设置阈值，将固体颗粒随机堆积模型孔隙空间剖分为一系列相互连通的较小孔隙，建立以孔隙流体单元为节点，孔喉通道相连接的孔隙流体拓扑差分网络，得到基于孔隙流体网络和固体颗粒骨架的水力压裂模型；
步骤S6.3、以固体颗粒为分析对象，计算相邻孔隙流体单元对固体颗粒的压力及相邻固体颗粒的作用力；根据牛顿力学及运动学方程计算固体颗粒合力、加速度和位移；
步骤S6.4、根据固体颗粒位移更新孔隙体积及孔喉宽度，当固体颗粒相对位移使得两颗粒距离小于所述阈值时，形成新的孔喉通道，孔隙间拓扑结构改变，重新剖分识别孔隙网络；更新孔隙渗流参数，更新孔隙流体质量、温度及体积，并计算孔隙流体密度，直至固体颗粒平衡及孔隙流体渗流稳定。
进一步地，所述步骤S3中选择上、下、左、右四块压力板，并使模型单元向外延伸四个单元，用于防治样品外泄。
进一步地，所述步骤S8中预制裂隙长为20mm，顶部施加20Mpa的压力，模拟设定时间步为8×10-8s，每个周期迭代计算1000次。
有益效果：
本发明提供的单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法结合非连续的离散元法和多孔介质孔隙网络模型，提出离散元孔隙密度流方法，极大地减小了计算量，实现渗流和流固耦合模拟，建立了完整的离散元数值模型。对水力压裂作用过程进行了全面的模拟分析。本发明基于孔隙尺度能高效地模拟十分复杂且花费巨大的水力压裂实验，解释较为复杂的宏观现象。
附图说明
图1是本发明提供的模型箱建立流程图；
图2是本发明提供的赋予模型材料性质及材料训练流程图；
图3是本发明提供的孔隙密度流法流程图；
图4是本发明提供的荷载迭代计算流程图；
图5是本发明提供的水力压裂离散元建立模型流程图；
图6是本发明提供的水力压裂堆积模型示意图；
图7是本发明提供的水力压裂模型加载示意图；
图8是本发明提供的水力裂缝扩展形态示意图；
图9是本发明提供的水力压裂模型定量模拟结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1、如图1所示为水力压裂二维模型箱建立流程图，建立Box建模器对象B，其中sampleW代表模型箱的宽，sampleL代表模型箱的长，sampleH代表模型箱的高；设置sampleL＝0，将模型设定为二维模型。
步骤S2、设置初始的样品单元平均半径和边界单元半径；其中样品最大粒径和最小粒径的比值为1+distriRate，distriRate代表样品颗粒单元半径的分散系数。
根据设定的宽，高，长度设置为0，生成特定尺寸的三维模型箱。具体尺寸只需在各方向上大于水力压裂模型即可。选择上、下、左、右，因为是二维模型，总共生成四块压力板，并使模型单元向外延伸四个单元，防治样品外泄。
此外，还可以设置一些其他的参数，如模拟时是否考虑剪切力isShear、是否将若干个单元组合在一起形成团簇isClump、是否生成初始的样品单元isSample等。随后对模型进行初始化。
步骤S3、为使单元堆积的更加密实，采用重力沉积函数B.gravitySediment模拟随机颗粒堆积过程，并采用B.compactSample压力板来压实样品。
本实施例中由于材料是致密的花岗岩，还需对单元间摩擦系数(aMUP)设置为0，把单元间剪切力mo.setShear关闭。通过以上步骤即可建立初始的几何模型，随后即可保存数据并进行后处理显示。在保存之前，首先将GPU计算关闭，即把所有数据都转到CPU中。
步骤S4、输入指定宏观力学性质，包括杨氏模量，泊松比，抗拉强度，抗压强度，内摩擦系数和密度；模型根据转换公式和单元半径生成对应的单元微观力学参数和质量。具体如图2所示，将上述材料参数储存在文档中，并将文档中的材料信息导入模型中
步骤S5、对材料进行自动训练，利用实测值和设定值之间的比率来重新设定material.rate，直至各力学性质收敛于设定值。经过了三次训练和自动调整，实测值与设定值之间的误差即小于2％。在模型中，除边界外只有sample组，因此将调节好比率的材料设置为sample组的材料，并将其应用于模型。通过d.setGroupMat('sample',
'Soil1')命令将sample组的材料声明为rockhydro，并进一步通过d.groupMat2Model函数将材料赋给单元。
通过以上步骤完成了对花岗岩材料性质的训练，得到了花岗岩材料的各项物理性质和力学性能，安成材料训练后，重新对模型进行平衡。
步骤S6、根据流体密度与压力、温度的关系，以密度差异和压力差异驱动孔隙流体运动。根据孔隙流体单元的压力、密度和温度，建立基于孔隙密度流法的水力压裂模型；如图3所示。具体地，
步骤S6.1、将岩土体离散为相互接触的固体颗粒，根据颗粒尺寸、颗粒半径生成固体颗粒随机堆积体；
步骤S6.2、根据固体颗粒间距离设置阈值，将固体颗粒随机堆积模型孔隙空间剖分为一系列相互连通的较小孔隙，建立以孔隙流体单元为节点，孔喉通道相连接的孔隙流体拓扑差分网络，得到基于孔隙流体网络和固体颗粒骨架的水力压裂模型；
步骤S6.3、以固体颗粒为分析对象，计算相邻孔隙流体单元对固体颗粒的压力及相邻固体颗粒的作用力；根据牛顿力学及运动学方程计算固体颗粒合力、加速度和位移；
步骤S6.4、根据固体颗粒位移更新孔隙体积及孔喉宽度，当固体颗粒相对位移使得两颗粒距离小于所述阈值时，形成新的孔喉通道，孔隙间拓扑结构改变，重新剖分识别孔隙网络；更新孔隙渗流参数，更新孔隙流体质量、温度及体积，并计算孔隙流体密度，直至固体颗粒平衡及孔隙流体渗流稳定。
步骤S7、建立完水力压裂模型后，平衡水力压裂模型中的受力及能量和热量，使得整个水力压裂模型的状态趋于稳定；
步骤S8、在数值模拟过程中，在模型中制备预裂隙，预制裂隙长20mm,随后对花岗岩样品顶部施加20mpa的压力，模拟轴压施加的过程；选取水力裂隙中心区域赋予不同的水压力，模拟水力压裂井筒液压加载的方式，直至样品破裂；通过反复迭代计算完成数值模拟。模拟设定时间步为8×10-8s，每个周期迭代计算1000次。循环次数越多，时间步越大，则每一步的位移越小，模拟过程越精确。
如图4为荷载迭代计算流程图，具体步骤如下：
步骤L1，在开始执行数值迭代计算之前，需要对模型进行初始化操作：建模过程中的平衡计算会自动运行d.recordStatus()函数，将系统能量、边界受力等各类信息记录在d.status里。需要运行d.resetStatus()命令来清除这些建模历史信息。最后，通过运行d.setStandarddT()，初始化时间步。
步骤L2；在模拟中，通过对压力板单元施加体力来实现应力荷载的施加。根据给定的压力值、压力板面积和单元数，可以算出每个单元所受的体力X，Y，Z方向体力分别为d.mo.mGX，mGY，mGZ，即可以实现轴力荷载的施加。通过孔隙密度流法计算相邻孔隙流体单元对固体颗粒的压力及相邻固体颗粒的作用力，实现水压的施加。
步骤L3，在循环前通过d.tic命令声明总循环次数为totalCircle*stepNum次。然后在for循环中通过d.toc显示已完成的循环步数/总步数，MatDEM通过反复的迭代计算完成数值模拟。
步骤L4，通过循环施加荷载，最后平衡模型，完成数值模拟过程。
下面根据上述步骤建立具体水力压裂模拟模型如下：
根据现场试验的花岗岩样品，利用MatDEM建立数值模型，第一步建立长、宽稍大于0.15X0.075的模型箱，再向模型箱中随机添加颗粒半径为0.0005的颗粒，再通过MatDEM内置函数切出0.15X0.075的样品单元，总颗粒数目为13433，其中活动单元数为12878，形成如图6所示的堆积体。
与现场试验进行对应，在数值模拟过程中,采用颗粒删减命令制备不同形态预裂隙，预制裂隙长20mm,随后对花岗岩样品顶部施加20mpa的压力，模拟真实世界中施加的轴压，选取水力裂隙中心区域赋予不同的水压力，模拟水力压裂井筒液压加载的方式，直至试样破裂。加载受力示意图见图7。
分别选取预制裂隙角度θ为0°、30°、45°、60°，90°等几个有代表性的角度进行对比，记录不同角度下预制裂隙的扩展形态如图8所示。
数值模拟与室内试验试验结果对比如下：
和现场花岗岩水力压裂结果对比发现，不同预制裂隙角度下裂缝形态与现场试验吻合的很好，且水压裂缝均沿着最大主应力方向扩展，这与岩石水力压裂理论分析，现场实验结果完全一致。这表明提出的单裂隙水力压裂过程流固耦合的模拟方法是有效的，大大降低了数值模拟水力压裂的难度，提高了计算精度。
同时深入开展预制裂隙角度对裂缝形态的影响规律，对五种不同预制裂隙水力压裂模型分别监测初始致裂压力、裂缝宽度(定义起裂宽度为水力裂缝宽度)、裂缝长度，裂缝偏转角度(定义水力裂缝方向与轴压方向的夹角)。结果与现场试验及理论数据结果十分吻合。详细对比内容见图9。
数值模拟结果显示，当预制裂隙方位角θ从0°增加到90°，起裂压力减少31.4％，，裂缝宽度减少49.9％，裂缝偏转角度减少13.35°，裂缝长度增加48.2％。
同时研究发现，当θ从0°增加到30°的过程中，起裂压力减少17.1％，，裂缝宽度减少24.9％，裂缝偏转角度减少8.75°，裂缝长度增加21.9％。相较于预制裂隙方位角θ从30°增加到90°，当θ从0°增加到30°时对裂缝形态的影响更加显著。数值模拟结果与实验和理论结果吻合度很高，因此该发明为岩石水力压裂数值模拟和机制研究提供了一个有效的方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、建立Box建模器对象B，其中sampleW代表模型箱的宽，sampleL代表模型箱的长，sampleH代表模型箱的高；设置sampleL＝0，将模型设定为二维模型；
步骤S2、设置初始的样品单元平均半径和边界单元半径；其中样品最大粒径和最小粒径的比值为1+distriRate，distriRate代表样品颗粒单元半径的分散系数；
步骤S3、采用重力沉积函数B.gravitySediment模拟随机颗粒堆积过程，并采用B.compactSample压力板来压实样品；
步骤S4、输入指定宏观力学性质，包括杨氏模量，泊松比，抗拉强度，抗压强度，内摩擦系数和密度；模型根据转换公式和单元半径生成对应的单元微观力学参数和质量；
步骤S5、对材料进行自动训练，根据实测值和设定值的比例重新设定material.rate，直至各微观力学性质收敛于设定值；
步骤S6、根据流体密度与压力、温度的关系，以密度差异和压力差异驱动孔隙流体运动，建立以孔隙流体单元的压力、密度和温度的孔隙密度流法构建的水力压裂模型；
步骤S7、建立完水力压裂模型后，平衡水力压裂模型中的受力及能量和热量，使得整个水力压裂模型的状态趋于稳定；
步骤S8、在数值模拟过程中，在模型中制备预裂隙，随后对样品顶部施加压力，模拟轴压施加的过程；选取水力裂隙中心区域赋予不同的水压力，模拟水力压裂井筒液压加载的方式，直至样品破裂；通过反复迭代计算完成数值模拟。
2.根据权利要求1所述的一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S6中基于孔隙密度流法水力压裂模型建立具体如下：
步骤S6.1、将岩土体离散为相互接触的固体颗粒，根据颗粒尺寸、颗粒半径生成固体颗粒随机堆积模型；
步骤S6.2、根据固体颗粒间距离设置阈值，将固体颗粒随机堆积模型孔隙空间剖分为一系列相互连通的较小孔隙，建立以孔隙流体单元为节点，孔喉通道相连接的孔隙流体拓扑差分网络，得到基于孔隙流体网络和固体颗粒骨架的水力压裂模型；
步骤S6.3、以固体颗粒为分析对象，计算相邻孔隙流体单元对固体颗粒的压力及相邻固体颗粒的作用力；根据牛顿力学及运动学方程计算固体颗粒合力、加速度和位移；
步骤S6.4、根据固体颗粒位移更新孔隙体积及孔喉宽度，当固体颗粒相对位移使得两颗粒距离小于所述阈值时，形成新的孔喉通道，孔隙间拓扑结构改变，重新剖分识别孔隙网络；更新孔隙渗流参数，更新孔隙流体质量、温度及体积，并计算孔隙流体密度，直至固体颗粒平衡及孔隙流体渗流稳定。
3.根据权利要求1所述的一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中选择上、下、左、右四块压力板，并使模型单元向外延伸四个单元，用于防治样品外泄。
4.根据权利要求1所述的一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S8中预制裂隙长为20mm，顶部施加20Mpa的压力，模拟设定时间步为8×10-8s，每个周期迭代计算1000次。
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