[发明专利]一种基于断裂力学准则的水力裂缝扩展路径数值计算方法

说明书

本发明公开了一种基于断裂力学准则的水力裂缝扩展路径数值计算方法，所述方法包括以下步骤：建立数值计算模型，划分网格及施加注水压力，计算裂缝尖端应力强度因子；提出基于裂缝尖端应变场的最大周向应变断裂准则，将该断裂准则与裂缝扩展增量法相结合，获得水力裂缝扩展所需的临界水压和临界起裂角，然后根据所得的临界起裂角和给定的裂缝扩展增量确定新裂缝尖端的位置，更新数值计算模型进行下一步水力裂缝扩展过程计算；重复上述过程直到完成整个水力裂缝扩展。本发明的一种基于断裂力学准则的水力裂缝扩展路径数值计算方法，能够准确地计算水力裂缝的扩展路径。

技术领域

本发明属于有限元数值计算领域，尤其涉及一种基于断裂力学准则的水力裂 缝扩展路径数值计算方法。

背景技术

随着钻井技术和生产策略的不断进步，利用水平井和垂直井压裂技术对低渗 透油气藏储层进行改造极大的提高了非常规油气资源的产量，对世界能源格局产 生了显著影响。通过水力压裂技术进行非常规油气资源开采的一个重要目的是在 储层岩体中形成高效的渗流通道，从而提高油气资源开采效率。水力裂缝的扩展 是一个非常复杂的过程，受到岩石力学性质，储层地应力分布和钻井工艺等因素 的影响。因此研究上述因素对水力压裂裂缝扩展路径的影响是进行有效水力压裂 增产作业的关键。利用理论模型研究水力裂缝起裂特性大多局限于裂缝萌生的第 一步，即裂缝的初始起裂角和临界水压，难以对水力裂缝的扩展过程进行研究。 在水力压裂技术设计时，我们不仅关心裂缝的初始起裂特性同时也需要对水力裂 缝扩展路径开展研究。由于数值方法在复杂几何形状和荷载作用条件下对结构进 行建模分析具有较高的通用性和灵活性，同时在进行裂缝扩展模拟方面也具有主 导地位。因此利用数值方法进行水力裂缝起裂、扩展分析成为一项重要的研究手段。

发明内容

为了能够准确高效的描述水力裂缝的扩展路径，本发明提供了一种基于断裂 力学准则的水力裂缝扩展路径数值计算方法。该计算方法能够考区分平面应变和 平面应力问题，考虑岩石材料泊松比对水力裂缝扩展路径的影响，因此能够精确 地获得水力裂缝的扩展路径。

技术方案如下：

一种基于断裂力学准则的水力裂缝扩展路径数值计算方法，该裂缝扩展路径 计算方法包括以下步骤：

(1)建立计算需要的数值计算模型，对模型进行网格划分，施加外荷载、边 界条件及注水压力：

对裂缝尖端的单元进行精细划分，同时采用1/4奇异单元来表示裂缝尖端应 力场和位移场的奇异性；

(2)根据岩石断裂力学理论，提出基于裂缝尖端应变场的最大周向应变断裂 准则；

(3)提出计算裂缝扩展路径的裂缝扩展增量法，确定扩展增量的大小；

(4)利用数值方法获得裂缝尖端的应力强度因子，根据最大周向应变断裂准 则得到水力裂缝起裂所需的临界水压和临界起裂角；

(5)根据临界起裂角和给定的裂缝扩展增量，确定新裂缝尖端的位置；

(6)更新数值计算模型进行下一步水力裂缝扩展过程计算；重复上述过程直 到完成整个水力裂缝扩展。

进一步的，通过公式(1)计算在当前注水压力作用下的水力裂缝起裂角θ，

将此时的裂缝起裂角θ代入公式(2)判断在该注水压力作用下水力裂缝是否 满足起裂条件，

如果不满足起裂条件，那么进一步改变注水压力的大小，重新计算裂缝尖端 应力强度因子，直到满足公式(2)要求的起裂条件，所得起裂角和荷载大小即为 裂缝起裂的临界起裂角θ₀及起裂所需的临界水压；

然后根据所得的临界起裂角θ₀和给定的裂缝扩展增量△a确定新裂缝尖端 的位置；