水力壓裂，cohesive，裂縫擴(kuò)展模擬的案例
水力壓裂裂縫三維擴(kuò)展ABAQUS數(shù)值模擬研究
水力壓裂裂縫三維擴(kuò)展ABAQUS數(shù)值模擬研究
COMSOL實(shí)現(xiàn)水力壓裂過程中復(fù)雜裂縫擴(kuò)展
目前使用comsol實(shí)現(xiàn)水力壓裂的方法主要是相場(chǎng)法與連續(xù)介質(zhì)損傷方法，相場(chǎng)法的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不過一些學(xué)者已經(jīng)把模型代碼部分開源，幫助我們學(xué)習(xí)。連續(xù)介質(zhì)損傷方法發(fā)展的比較早，其中國(guó)產(chǎn)軟件RFPA在這方面做的比較好。目前線彈性損脆性或者軟化模型使用的比較多，對(duì)于頁巖、花崗巖水力壓裂一般使用脆性損傷模型。而對(duì)于煤這種軟巖，脆性模型有時(shí)候并不適用。基于煤破壞峰后軟化行為，軟化損傷模型比脆性模型更適用煤。相場(chǎng)法模型應(yīng)用在彈性模量與強(qiáng)度比較低的巖石壓裂過程中，很容易出現(xiàn)模型不收斂現(xiàn)象。相場(chǎng)法主要用在彈模比較大的且以張拉破壞為主的巖石壓裂過程中，對(duì)于軟煤可能存在失效的問題。
RFPA比較適用于脆性巖石的壓裂或者破壞，模擬出來的效果也比較好，但是應(yīng)用在煤的壓裂時(shí)，形成的裂縫很寬，并不能很好的反映壓裂效果。我目前借助使用比較多的COMSOL with Matlab平臺(tái)，初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)中裂隙煤體中復(fù)雜裂縫擴(kuò)展的模擬。模型中很大的問題，也是收斂問題，主要的參數(shù)與方程來自與公開發(fā)表的文獻(xiàn)。該模型使用的主要方程是線彈性軟化損傷方程與裂隙本構(gòu)方程。水力裂縫與天然裂縫之間的相互作用，是模型的難點(diǎn)。comsol中的裂隙流模塊，可以實(shí)現(xiàn)裂隙中水流動(dòng)。在5.6之前的版本中，固體力學(xué)模塊中有彈性薄層接口，這個(gè)接口可以自定義裂隙的本構(gòu)方程。基于裂隙的本構(gòu)模型，可以獲得裂隙表面的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)裂隙的閉合與張開，具體方程可以參考Qinghua Lei在IJRMMS上發(fā)表的論文。使用零厚度的線段或者平面來代替裂隙，煤巖的損傷主要發(fā)生在基質(zhì)中，天然裂隙或其他節(jié)理不會(huì)出現(xiàn)損傷。使用矩形或者很薄的長(zhǎng)方體表征裂隙，可以設(shè)置裂隙的強(qiáng)度參數(shù)和根據(jù)破壞準(zhǔn)則判斷破壞類型。不過，使用成百上千的矩形或者長(zhǎng)方體的話，網(wǎng)格單元數(shù)量比較多，對(duì)計(jì)算機(jī)配置有較高的要求。
展開 基于abaqus擴(kuò)展有限元模擬水力壓裂 ￥9.9
該案例模擬含有原生裂縫的水力壓裂的裂紋擴(kuò)展。該案例付費(fèi)內(nèi)容含有2017版abaqus的cae和odb文件供大家學(xué)習(xí)參考。
cohesive單元模擬三維壓裂，裂縫形態(tài)張開為什么不是從我設(shè)置的注入點(diǎn)開始
<div contenteditable="false" width="100%"><jsk id="C_Play100081fcd66c71f093e56632b68f0102" videoid="100081fcd66c71f093e56632b68f0102" duration="5秒"><img src="https://img.jishulink.com/static/web/youku-case.png"></jsk></div><p>用cohesive單元法模擬三維水力壓裂過程，跟著星辰的教學(xué)視頻做的，為什么我計(jì)算完的結(jié)果PFOPEN云圖，初始的裂縫張開不是在XY平面上，而是凹進(jìn)去一點(diǎn)，檢查了注入點(diǎn)位置是（0，25，0），是位于XY平面上的</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/b195afe68b85407c87cb188ac4858fc1.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
<img src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/b195afe68b85407c87cb188ac4858fc1.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/b195afe68b85407c87cb188ac4858fc1.png?
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通過編程批量添加零厚度Cohesive Element模擬裂縫擴(kuò)展
在2D或者3D有限單元間批量插入0厚度“cohesive Element”單元，模擬裂縫的擴(kuò)展：
實(shí)例提供：
http://forum.simwe.com/thread-1253768-1-1.html
http://forum.simwe.com/thread-1258069-1-1.html
cohesive單元模擬二維水力壓裂，運(yùn)行了100多步報(bào)錯(cuò)，為什么角落會(huì)出現(xiàn)孔隙壓力負(fù)值？
采用cohesive單元全局插入模擬裂縫擴(kuò)展。儲(chǔ)層物性參數(shù)：彈性模量30GPa，泊松比0.25，流體比重980N/m^3，滲透系數(shù)1e-7m/s，孔隙比0.1。cohesive單元參數(shù)：彈性類型為面作用力，彈性模量30GPa，損傷準(zhǔn)則采用最大正應(yīng)力準(zhǔn)則，抗拉強(qiáng)度為6MPa，抗壓和抗剪切強(qiáng)度為100MPa，損傷演化類型為位移，破壞位移為0.001mm，損傷穩(wěn)定粘性系數(shù)為1e-5，液體泄漏頂部系數(shù)和底部系數(shù)為1e-14m/Pas，間隙流類型為Newtonian，粘性0.1Pas。指派單元類型中cohesive單元粘性及厚度為0.01。水平井段長(zhǎng)40，角度為北偏西20°，水平井段均勻分布8段長(zhǎng)度為0.4的直線段作為射孔和注入點(diǎn)位置，在模型關(guān)鍵字里定義為initial gap初始損傷單元作為起始裂縫。采用超靜水壓力系統(tǒng)，初始地層孔隙壓力為0。實(shí)體單元basement應(yīng)力場(chǎng)為S11=-10e6,S22=-5e6,S12=S33=0。注入點(diǎn)載荷為-0.01m^2/s，有幅值緩沖。注入時(shí)間步長(zhǎng)為10s。
模型運(yùn)行了136步3秒不到出現(xiàn)不收斂：Time increment required is less than the minimum specified。右上角出現(xiàn)了孔隙壓力負(fù)值，查看了邊界條件，設(shè)置了四邊位移自由度為0，孔隙壓力也為0。將應(yīng)力場(chǎng)改為S11=-10e6,S22=0,S12=S33=0，重新運(yùn)行，模型運(yùn)行到200多步四秒不到依然報(bào)錯(cuò)。將注入載荷縮小成-0.001，這次可以運(yùn)行成功，但裂縫寬度也縮小很多。
展開 ABAQUS水力壓裂模擬|XFEM和Cohesive方法-多縫、交叉縫、體積縫、轉(zhuǎn)向縫、縫間干擾
【三維水力壓裂模擬（Cohesive）】
三維模型計(jì)算量較大，但可以模擬儲(chǔ)隔層壓裂過程中，水力裂縫限制在儲(chǔ)層中擴(kuò)展的形態(tài)，當(dāng)然，下圖中的裂縫形態(tài)主要受儲(chǔ)隔層的材料性質(zhì)和地應(yīng)力狀態(tài)影響；不合適的地層條件將導(dǎo)致水力裂縫竄層現(xiàn)象的發(fā)生。
【水力裂縫與天然裂縫相交模擬】
本例中采用Cohesive單元模擬水力裂縫交叉，并可通過該模型分析不同地應(yīng)力情況下水力裂縫遇到天然裂縫后的擴(kuò)展軌跡。應(yīng)力差較小時(shí)，易促使天然裂縫張開；應(yīng)力差較大時(shí)，水力裂縫可穿過天然裂縫。
【裂縫發(fā)育地層的水力壓裂模擬】
在前面三個(gè)案例的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裂縫發(fā)育地層條件下的復(fù)雜縫網(wǎng)模擬，可以形成體積縫網(wǎng)的壓裂效果；仿真的難點(diǎn)在于全局嵌入零厚度Cohesive單元層，本例采用POLARIS_InsertCohElem插件實(shí)現(xiàn)。這個(gè)效果圖是不是可以給您提供無限的遐想空間？
【水力裂縫轉(zhuǎn)向模擬（XFEM）】
擴(kuò)展有限元方法（XFEM）進(jìn)行水力壓裂模擬的最大優(yōu)勢(shì)在于：可以用于預(yù)測(cè)裂縫轉(zhuǎn)向的軌跡。不依賴于網(wǎng)格邊界的裂縫，得到的裂縫擴(kuò)展形態(tài)也更加逼真。
【多段壓裂縫間干擾問題】
目前配合水平井開采石油天然氣的重要技術(shù)就是分段壓裂，而不同壓裂縫之間的干擾問題直接影響壓裂設(shè)計(jì)方案，甚至井眼軌跡的設(shè)計(jì)；如下圖所示，第一段壓裂縫是上下對(duì)稱的，而后續(xù)壓裂縫的一端受到抑制，無法形成對(duì)稱縫網(wǎng)。
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