[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

说明书

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。

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；