[发明专利]一种单裂隙岩石水力压裂过程流固耦合的数值模拟方法

权利要求书

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。