水力壓裂模擬的案例
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
ABAQUS水力壓裂模擬|XFEM和Cohesive方法
by 星辰北極星
關(guān)鍵字：?jiǎn)慰p、多縫、交叉縫、體積縫、轉(zhuǎn)向縫、縫間干擾、儲(chǔ)隔層
水力壓裂，對(duì)于石油工程的朋友并不陌生，它是石油開(kāi)采和增產(chǎn)的重要手段；也廣泛應(yīng)用于地?zé)衢_(kāi)采、地基處理等領(lǐng)域。由于畢業(yè)于石油大學(xué)，所以有很多機(jī)會(huì)接觸這方面的問(wèn)題，也關(guān)注著ABAQUS在壓裂領(lǐng)域的應(yīng)用。這個(gè)專(zhuān)題將分享自己在水力壓裂仿真中的一些積累，希望大家喜歡。
【主要內(nèi)容】
一、課程概述
二、仿真要點(diǎn)介紹
2.1 ABAQUS水力壓裂模擬常用仿真方法
2.2 地應(yīng)力平衡分析（Geostatic）
2.3 滲流-位移耦合分析（Soils）
2.4 材料與單位制講解
2.5 特殊的輸出需求與定義
2.6 交叉裂縫處理
三、實(shí)例講解
3.1 基于Cohesive單元的二維水力壓裂模擬
3.2 基于Cohesive單元的三維水力壓裂模擬
3.3 水力裂縫與天然裂縫相交模擬-Cohesive單元法
3.4 裂縫發(fā)育地層的水力壓裂模擬-Cohesive單元法
3.5 基于XFEM的水力裂縫轉(zhuǎn)向模擬
3.6 基于XFEM的水平井多段壓裂裂縫的縫間干擾問(wèn)題研究
視頻地址：https://i.xue.taobao.com/detail.htm?spm=a2174.7765247.0.0.OHNzvF&courseId=89321
【二維水力壓裂模擬（Cohesive）】
通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的案例講述采用Cohesive單元模擬水力壓裂的基本技巧，讓大家掌握注液、停泵憋壓等基本設(shè)置，以及前后處理的一些技巧。
展開(kāi) 方案 | Hydraulic Fracturing Simulator 地下資源開(kāi)采水力壓裂仿真解決
水力壓裂是低滲油氣田、煤層氣、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心增產(chǎn)技術(shù)，即利用注入地下井的高壓液體壓裂巖體形成連通的滲透裂隙網(wǎng)絡(luò)，使油氣能夠通暢流入井中。水力壓裂已經(jīng)成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的革命性增產(chǎn)措施，而且在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)、煤礦瓦斯抽放等領(lǐng)域也發(fā)揮了很大的作用。
為了達(dá)到最佳的壓裂效果，需要對(duì)水力壓裂進(jìn)行優(yōu)化
，使得改造體達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的要求。目前的測(cè)量技術(shù)，如微地震監(jiān)測(cè)，可以對(duì)水力壓裂的效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但這僅僅是一種后處理過(guò)程，無(wú)法進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，因此水力壓裂數(shù)值模擬是優(yōu)選儲(chǔ)層改造措施和優(yōu)化產(chǎn)量的基本手段。
德國(guó)Dynardo公司開(kāi)發(fā)Hydraulic Fracturing
Simulator是目前唯一可以對(duì)三維節(jié)理巖體水力壓裂過(guò)程進(jìn)行仿真模擬并計(jì)算改造體，從而對(duì)水力壓裂措施和儲(chǔ)層產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)測(cè)的軟件技術(shù)。
Hydraulic Fracturing SImulator
唯一基于有限元的全三維水力壓裂模擬技術(shù)
Hydraulic Fracturing Simulator水力壓裂解決方案
Hydraulic Fracturing Simulator不僅可以對(duì)水力壓裂過(guò)程進(jìn)行模擬，而且針對(duì)地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)的不確定性，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行反演分析，從而保證輸入?yún)?shù)的有效性和輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保模型可以用于產(chǎn)量預(yù)測(cè)與優(yōu)化。
Hydraulic Fracturing Simulator解決方案集成了如下核心技術(shù)：
1）ANSYS：世界領(lǐng)先的三維有限元分析軟件，可真實(shí)模擬三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其力學(xué)行為。
2）multiPLas：基于ANSYS開(kāi)發(fā)的巖土非線性本構(gòu)與算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維節(jié)理巖體的斷裂與擴(kuò)展分析。
展開(kāi) ABAQUS中非均質(zhì)煤巖體的水力壓裂模擬 ￥80
今天給大家?guī)?lái)一個(gè)有關(guān)水力壓裂模擬的案例，廢話少說(shuō)直接上論文：
非均質(zhì)彈塑性煤體水壓致裂裂紋形態(tài)研究 - 中國(guó)知網(wǎng) (cnki.net)
模擬裂紋擴(kuò)展的方法有很多，但我覺(jué)得FDEM方法是模擬縫網(wǎng)形態(tài)的最好方法，這篇論文使用ABAQUS通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)FDEM方法，相關(guān)方法星辰北極星大佬早就使用過(guò)了，這里我們主要解決兩個(gè)問(wèn)題：
1、材料非均質(zhì)性的實(shí)現(xiàn)方法
2、多射孔多注入點(diǎn)的集中流量注入實(shí)現(xiàn)
模擬的基本模型很簡(jiǎn)單，辦公室的工作站只夠帶動(dòng)的二維的；因?yàn)榭紤]了地層的非均質(zhì)性，所以計(jì)算不易收斂，這個(gè)二維模型為100w自由度，40核工作站算一步10分鐘左右，單步增量時(shí)長(zhǎng)1e-5到-7的樣子，所以還請(qǐng)大家斟酌后建模。具體模型如下圖：15m*15m的地層中有一簇射孔，詳細(xì)尺寸圖中已經(jīng)給出啦。
這一簇射孔在際水力壓裂中是一個(gè)分隔段，我們需要將中間四個(gè)注液點(diǎn)耦合到一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，給這個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置集中注液流量，被耦合的四個(gè)點(diǎn)根據(jù)孔隙壓力自己平衡每個(gè)點(diǎn)的注液流量。
展開(kāi) 基于Cohesive方法的斷裂仿真
支持二維（三角形、四邊形單元）、三維（六面體、楔形體、四面體單元）一階實(shí)體單元之間嵌入Cohesive單元層；
嵌入方式多樣化，支持：全局單元面、全局幾何面、Set集合、手選幾何面和手選單元面五種嵌入?yún)^(qū)域；
支持零厚度和非零厚度Cohesive單元嵌入，（四面體單元除外）；
支持滲流和非滲流Cohesive單元嵌入，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂模擬。
案例3.5.1
雙懸臂梁撕裂模型
通常實(shí)驗(yàn)中通過(guò)該方法測(cè)試獲得材料膠結(jié)面的I型開(kāi)裂斷裂參數(shù)。在本案例中，分別采用了Cohesive接觸-顯示求解、Cohesive接觸-隱式求解、以及Cohesive單元-隱式求解三種方法進(jìn)行模擬，一方面可以了解不同方法如何進(jìn)行模型的建立；另一方面對(duì)比不同建模方式的差異和結(jié)果的差異，讓大家有更深刻的認(rèn)識(shí)。
案例3.5.2
Cohesive接觸在貨物運(yùn)輸中的應(yīng)用
基于Cohesive接觸的最大特征，講述了其在貨物運(yùn)算中的應(yīng)用，模擬吸力或點(diǎn)磁力的階段性存在。
案例3.5.3
基于Cohesive單元的二維水力壓裂模擬
水力壓裂模擬方法有很多，ABAQUS提供了很多實(shí)現(xiàn)方法，其中常用的是：基于Cohesive滲流單元的模擬方法和基于XFEM(擴(kuò)展有限元)的模擬方法；本節(jié)則通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二維水力壓裂模擬，讓大家了解Cohesive滲流單元。后續(xù)將錄制單獨(dú)課程：ABAQUS水力壓裂模擬專(zhuān)題，供大家參考學(xué)習(xí)。
本案例展示了儲(chǔ)隔層條件下的水力壓裂模型建立過(guò)程的一些細(xì)節(jié)。
展開(kāi) 
石化核電行業(yè)仿真咨詢(xún)與專(zhuān)業(yè)定制開(kāi)發(fā)
蒸汽發(fā)生器分析法設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面
10、專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)-水力壓裂模擬分析系統(tǒng)
水力壓裂是低滲油氣田、煤層氣、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心增產(chǎn)技術(shù)，為了達(dá)到最佳的壓裂效果，需要對(duì)水力壓裂進(jìn)行優(yōu)化 ，使得改造體達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的要求。
水力壓裂模擬系統(tǒng)是是目前唯一可以對(duì)三維節(jié)理巖體水力壓裂過(guò)程進(jìn)行仿真模擬并計(jì)算改造體，從而對(duì)水力壓裂措施和儲(chǔ)層產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)測(cè)的軟件技術(shù)。運(yùn)用三維非線性有限元流固耦合算法對(duì)水力壓裂過(guò)程的瞬態(tài)滲流以及復(fù)雜節(jié)理網(wǎng)絡(luò)與完整巖石的斷裂擴(kuò)展進(jìn)行模擬，并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（ISIP，BHP，MSE）對(duì)不確定輸入地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演優(yōu)化，保證模擬精度，可用于頁(yè)巖氣開(kāi)采、煤層氣、石油開(kāi)采、地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，進(jìn)行水力壓裂措施優(yōu)化、產(chǎn)量預(yù)測(cè)與優(yōu)化等，為綠色能源開(kāi)發(fā)服務(wù)。
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造水力壓裂模擬
11、再冷凝器與管道系統(tǒng)建模與分析
實(shí)現(xiàn)再冷凝器與復(fù)雜管道系統(tǒng)從一維模型到三維模型的參數(shù)化自動(dòng)建模，并考慮熱工、安裝、振動(dòng)、運(yùn)行等載荷進(jìn)行整體分析與局部細(xì)節(jié)模擬，對(duì)其剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命進(jìn)行校核。
再冷凝器與管道系統(tǒng)整體計(jì)算與局部計(jì)算
12、儲(chǔ)液罐實(shí)程地震分析
采用流固耦合算法計(jì)算給定儲(chǔ)水箱在地震在和靜力載荷綜合作用下的應(yīng)力響應(yīng)，用于儲(chǔ)水箱抗震分析和應(yīng)力評(píng)定。包括液晃、液固耦合地震響應(yīng)、基于RCC-M規(guī)范的應(yīng)力評(píng)定。
展開(kāi) 瑪湖油田巖石水力壓裂模擬
必須基于對(duì)地下儲(chǔ)層的精細(xì)認(rèn)識(shí)，找到有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線：水力壓裂。
二、 Cohesive element原理
ABAQUSd提供一種粘結(jié)單元（cohesive element），用以模擬兩個(gè)部分之間的粘性連接，一般來(lái)說(shuō)，它要求粘結(jié)材料尺寸和強(qiáng)度都小于粘結(jié)部分（比如多層復(fù)合材料的膠粘層），進(jìn)而可以利用cohesive element模擬材料的斷裂。從本質(zhì)上講，利用cohesive element模擬材料的斷裂其實(shí)是單元?jiǎng)h除方法的一種。
Cohesive element的中面雖然能夠承受拉伸和剪切的應(yīng)變，但并不能產(chǎn)生任何應(yīng)力，因此，cohesive element 只能支持垂直于上下表面的牽引-分離破壞準(zhǔn)則（Traction-separation laws）。
圖1 黏聚力模型示意圖
圖2 雙線性型黏聚力模型
ABAQUS中的Cohesive element 方法可應(yīng)用于水力壓裂技術(shù)。其計(jì)算流程如下：
1.對(duì)預(yù)知的裂縫路徑（區(qū)域）進(jìn)行細(xì)化分割。
2.在mesh的時(shí)候在裂縫區(qū)域賦予cohesive element。
3.設(shè)置合適的斷裂準(zhǔn)則（Traction-separation laws）。
4.在輸出中設(shè)置不顯示破壞的單元。
5.加載，后處理。
三、模型設(shè)置
首先用python全局隨機(jī)設(shè)置隨機(jī)大小、形狀、性質(zhì)的礫石；其次，采用插件全局插入內(nèi)聚力單元；最后設(shè)置網(wǎng)格、增量步、時(shí)間、提交job。
圖3 裂縫穿過(guò)礫石
圖4 裂縫沿礫石表面擴(kuò)展
圖5 裂縫穿過(guò)大礫石擴(kuò)展
五、結(jié)論：
1. 總體上，裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展；
2. 裂縫擴(kuò)展方式與礫石的角度有關(guān)系；
3. 裂縫擴(kuò)展擴(kuò)展與礫石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。
展開(kāi) Abaqus線下培訓(xùn)，工程師免費(fèi)參與，名額有限！!
下圖為ENI預(yù)測(cè)的某油藏儲(chǔ)層頂面從2018年到2028年垂向位移的變化情況：
同時(shí)結(jié)合整體模型和子模型分析技術(shù)，評(píng)價(jià)隨著開(kāi)采的進(jìn)行，套管的穩(wěn)定性：
03
跨尺度模擬能力
對(duì)巖心的微觀結(jié)構(gòu)建模分析，可以近似得到地層宏觀的物性參數(shù)；含油氣盆地是油氣生成、運(yùn)移、聚集、保存的基本單元。通過(guò)模擬數(shù)百萬(wàn)年地質(zhì)構(gòu)造的演化，來(lái)進(jìn)行油氣資源的評(píng)價(jià)。
Abaqus的分析范圍能夠涵蓋從毫米級(jí)別的巖心，到幾百公里跨度的盆地。
04
水力壓裂模擬
水力壓裂通常是在油氣井中泵入壓裂液，破碎儲(chǔ)層巖石形成水力裂縫，從而大幅提高儲(chǔ)層滲透率，提升油氣產(chǎn)量。上世紀(jì)50年代起，水力壓裂技術(shù)初步完善，開(kāi)始應(yīng)用到常規(guī)油氣井的開(kāi)發(fā)中。
頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源，由于儲(chǔ)層滲透率過(guò)低，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)大規(guī)模的壓裂改造的話，它無(wú)法形成有效的工業(yè)產(chǎn)能。目前，水平井分段多簇壓裂技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)非常規(guī)低滲透油氣藏最有效的增產(chǎn)改造手段。下圖為貝克休斯對(duì)水平井多裂縫壓裂過(guò)程的模擬：
Abaqus主要提供基于孔壓Cohesive單元和XFEM兩種水力壓裂模擬方法：
下圖為埃克森美孚的水力壓裂驗(yàn)證算例。水力裂縫在離開(kāi)縫口后，很快發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向（水平方向），形成S型的水力裂縫，實(shí)驗(yàn)和Abaqus的模擬結(jié)果有很好的一致性：
展開(kāi) 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
Abaqus培訓(xùn)丨達(dá)索系統(tǒng)油氣行業(yè)名師面對(duì)面
下圖為ENI預(yù)測(cè)的某油藏儲(chǔ)層頂面從2018年到2028年垂向位移的變化情況：
同時(shí)結(jié)合整體模型和子模型分析技術(shù)，評(píng)價(jià)隨著開(kāi)采的進(jìn)行，套管的穩(wěn)定性：
03
跨尺度模擬能力
對(duì)巖心的微觀結(jié)構(gòu)建模分析，可以近似得到地層宏觀的物性參數(shù)；含油氣盆地是油氣生成、運(yùn)移、聚集、保存的基本單元。通過(guò)模擬數(shù)百萬(wàn)年地質(zhì)構(gòu)造的演化，來(lái)進(jìn)行油氣資源的評(píng)價(jià)。
Abaqus的分析范圍能夠涵蓋從毫米級(jí)別的巖心，到幾百公里跨度的盆地。
04
水力壓裂模擬
水力壓裂通常是在油氣井中泵入壓裂液，破碎儲(chǔ)層巖石形成水力裂縫，從而大幅提高儲(chǔ)層滲透率，提升油氣產(chǎn)量。上世紀(jì)50年代起，水力壓裂技術(shù)初步完善，開(kāi)始應(yīng)用到常規(guī)油氣井的開(kāi)發(fā)中。
頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源，由于儲(chǔ)層滲透率過(guò)低，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)大規(guī)模的壓裂改造的話，它無(wú)法形成有效的工業(yè)產(chǎn)能。目前，水平井分段多簇壓裂技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)非常規(guī)低滲透油氣藏最有效的增產(chǎn)改造手段。下圖為貝克休斯對(duì)水平井多裂縫壓裂過(guò)程的模擬：
Abaqus主要提供基于孔壓Cohesive單元和XFEM兩種水力壓裂模擬方法：
下圖為埃克森美孚的水力壓裂驗(yàn)證算例。
展開(kāi) 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(lèi)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(lèi)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(lèi)型為Newtonian，粘性0.1Pas。指派單元類(lèi)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(kāi) 
在abaqus中XFEM水力壓裂壓裂液的溫度是否可以設(shè)定？
請(qǐng)問(wèn)一下各位大佬，在abaqus軟件中使用XFEM方法模擬單條水力壓裂擴(kuò)展，其中的壓裂液溫度能用關(guān)鍵詞進(jìn)行設(shè)置嗎？我目前用的是cflow關(guān)鍵詞進(jìn)行注入，請(qǐng)問(wèn)這串關(guān)鍵詞可以加溫度嗎？
COMSOL水力壓裂數(shù)值仿真 ￥800
<p>水力壓裂是一項(xiàng)有廣泛應(yīng)用前景的油氣井增產(chǎn)措施，<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%B4%E5%8A%9B%E5%8E%8B%E8%A3%82%E6%B3%95/5871590" rel="noopener noreferrer" target="_blank">水力壓裂法</a>是目前開(kāi)采天然氣的主要形式，要求用大量摻入化學(xué)物質(zhì)的水灌入頁(yè)巖層進(jìn)行液壓碎裂以釋放天然氣。水力壓裂就是利用地面<a href="https://baike.baidu.com/item/%E9%AB%98%E5%8E%8B%E6%B3%B5/523281" rel="noopener noreferrer" target="_blank">高壓泵</a>，通過(guò)井筒向油層擠注具有較高粘度的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%8E%8B%E8%A3%82%E6%B6%B2/7949933" rel="noopener noreferrer" target="_blank">壓裂液</a>。當(dāng)注入壓裂液的速度超過(guò)油層的吸收能力時(shí)，則在井底油層上形成很高的壓力，當(dāng)這種壓力超過(guò)井底附近油層巖石的破裂壓力時(shí)，油層將被壓開(kāi)并產(chǎn)生裂縫。這時(shí)，繼續(xù)不停地向油層擠注壓裂液，裂縫就會(huì)繼續(xù)向油層內(nèi)部擴(kuò)張。
展開(kāi) 巖石內(nèi)部水力壓裂破壞失效仿真分析
1背景與目的
我們知道cohesive單元常常被用來(lái)模擬裂紋損傷，在巖石內(nèi)部壓裂的仿真中同樣如此，通過(guò)cohesive單元嵌入、定義失效準(zhǔn)則可以很好地再現(xiàn)裂紋損傷現(xiàn)象，相對(duì)于試驗(yàn)，這是仿真無(wú)與倫比的巨大優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)ABAQUS分析技術(shù)，應(yīng)用cohesive單元來(lái)模擬水力裂縫的現(xiàn)象。
2問(wèn)題描述
模型為水力壓裂施工的目標(biāo)地層，地層深度為2000m，壓裂目標(biāo)層厚度10m，上下層厚度均為20m，巖土層參數(shù)和地應(yīng)力條件見(jiàn)表1所示，施工采用的壓裂液黏度為1，施工為定排量施工，注液峰值為0.6m3/min，注入總時(shí)長(zhǎng)300s，其中前30s為注液提速階段，注入點(diǎn)位于目標(biāo)層中點(diǎn)。
展開(kāi) 有償調(diào)試xfem二維巖石水力壓裂
巖石兩端加穩(wěn)定滲透壓差
