[发明专利]一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法

权利要求书

1.一种流体驱动多孔弹性岩体裂缝动态扩展的并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据多孔弹性岩体建立数值模型，进行网格划分，基于流-固耦合方程将多孔弹性介质转换为固体有限元模型和流体有限体积模型；将流体流动的流体压力作为外荷载，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的固体变形，获得固体变量；

其中，根据基于OpenMP的有限元法多线程并行计算多孔弹性岩体的岩体变形，获得固体变量的过程中包括：通过所述有限元法计算固体变形的过程中，使用了OpenMP并行化来计算，获得固体变量，所述固体变量包括位移、速度和加速度；

所述使用了OpenMP并行化来计算的过程中，还包括：构建动力学惯量影响的平衡方程：

式中，u(x,y,z)＝(u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z))^T代表位移向量；与分别代表了速度向量与加速度向量；σ^e代表考虑孔弹性岩体介质的有效应力张量；f代表外力向量；ρ代表密度；c代表阻尼系数；代表方程的微分算子；Ω代表求解域；

将流体流动的流体压力作为外荷载的过程中，包括：将多孔弹性岩石基质破裂面上的裂缝和天然裂缝中流体流动的流体压力作为外荷载，其中所述流体变量包括流体压力和速度；

所述流体压力的计算过程包括：利用有效应力原理，计算多孔弹性岩体基质中流体流动的有效应力张量σ^e作为流体压力，通过如下公式(2)实现：

σ^e＝σ-αpI (2)

式中，α为孔弹性岩体介质Biot常数，p为空隙水压力，I为单位矩阵；

利用有效应力原理，根据基于OpenMP的有限体积法多线程并行计算流体流动，获得流体变量；

通过迭代，获得稳定状态下的所述固体变量和所述流体变量；

基于所述稳定状态，所述固体变量和所述流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展；

根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展，基于计算结果更新水力压裂裂缝网络，并获得水力压裂裂缝网络的形态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述断裂准则包括拉伸破坏准则和剪切破坏准则；

式中，σ为拉伸应力；τ为剪切应力；ε₀为拉伸应力达到最大值时的拉伸应变值；ε_f为发生拉伸断裂时的拉伸应变值；γ₀为剪切应力达到最大值时的剪切应变值；γ_f为发生剪切断裂时的剪切应变值；G_tf和G_sf分别是拉伸断裂能和剪切断裂能。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固体变量和所述流体变量大于断裂准则时，多孔弹性岩体发生流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展的过程中包括：

满足所述拉伸破坏准则和所述剪切破坏准则任何一个准则，就会发生裂缝起裂或扩展，形成所述流体驱动拉伸和所述剪切裂缝扩展。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据离散元法计算多孔弹性岩体的流体驱动拉伸和剪切裂缝扩展的过程中包括：

对固体变形的数值进行离散，再进行求解：

为求解固体变形的控制方程，有限元法将平衡方程转化为单元e上的矩阵形式：

式中，D(t)表示由单元e的节点位移组合而成的位移向量；M^e，C^e和K^e分别表示质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；和分别表示t时刻的节点速度和加速度的向量；F^e表示外荷载向量，所述F^e为：

式中，表示体积力；表示断裂表面的流体压力；表示相邻单元节点力；表示牵引边界上的力。