裂隙網絡
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-26
裂隙網絡的實例教程
基于MATLAB的離散裂隙網絡構建代碼 ￥200
該程序可實現構建表征地下儲層的復雜離散裂隙網絡。每條裂隙可通過控制裂隙跡長，裂隙開度，裂隙方向三個參數改變單條裂隙幾何形貌。可通過分別控制三個參數的分布規律（均勻分布，正態分布，對數正態分布，指數分布等）及一定面積內的裂隙密度來控制整個裂隙網絡的形貌。
生成的裂隙網絡可進一步后處理導入有限元模擬軟件，如COMSOL進行流體流動及固體變形仿真模擬。
本案例基于構建的離散裂隙網絡模型，在COMSOL中進行了油氣在儲層裂隙及基質中的滲流規律模擬分析。本案例可實現以下功能：
可靈活改變裂隙網絡幾何參數表征不同特性的儲層；
可進行油，氣，水在地下裂隙及空隙中的流動規律分析；
可對裂隙儲層的油氣抽采等工程進行模擬仿真；
可在該案例上自主添加固體力學場和熱場進行更復雜的分析；
使用 COMSOL Multiphysics 進行仿真是因為它具有卓越的功能:
同時求解多物理場方程，實現直接耦合
將模型參數定義為其他場變量的函數，實現間接耦合
明確表示離散的裂隙，并求解其中的物理過程(如裂隙流動和裂隙變形)
下面，我們將闡述在 COMSOL Multiphysics 中建立裂隙介質全耦合流體力學數值模型的步驟，并列舉一些仿真實例。
模擬步驟
在 COMSOL Multiphysics 中進行數值仿真涉及 3 個主要步驟。
步驟1:生成模型幾何和網格
首先，可以使用 AutoCAD? 或 Rhinoceros? 等 CAD 軟件構建幾何上表示為線/折線的離散裂隙網絡。然后將幾何數據導出為 DXF? 文件，這些文件可以直接導入 COMSOL Multiphysics。這一步驟也可以在 MATLAB? 中完成，按照規定的概率分布生成合成裂隙網絡，并將其導出到 DXF?。
提示：您還可以使用離散裂隙網絡插件直接在 COMSOL Multiphysics 內部的現有幾何結構中創建隨機裂隙，如裂縫性儲層的 3D 示例模型所述。
導入幾何圖形后，我們使用三角形有限元的非結構化網格（通過 Delaunay 細分）對域進行離散化，其中天然裂隙由嵌入相鄰有限元之間的聯合單元表示（圖1）。
圖1。該模型采用三角形有限元的非結構化網格離散化，其中天然裂隙由嵌入相鄰有限元之間的聯合單元表示。
展開 針對裂隙多孔介質流體注入引起天然裂隙的激活，巖石產生新損傷形成水力裂縫，本案例建立了裂隙多孔介質流固耦合-損傷模型，實現如下功能：
（1）采用comsol with matlab建立隨機天然裂隙網絡幾何模型；
（2）針對天然裂隙，建立裂隙模型，考慮其變形過程對裂縫寬度和滲透率的影響，可得到裂隙寬度分布；
（3）考慮損傷演化過程和流固耦合作用，巖石孔隙度和滲透率隨著損傷和應力大小變化；
（4）可用于分析水力裂隙擴展以及壓后滲透率改變等。
部分結果圖：
幾何模型
Mises stress分布
Pressure分布
Damage分布
Fracture width分布
參考文獻：
Qinghua Lei. Modelling fluid injection-induced fracture activation, damage growth, seismicity occurrence and connectivity change in naturally fractured rocks. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 138 (2021) 104598.
展開 裂隙介質的流動特性與均質介質顯著不同，裂隙的分布、連通性和幾何形態對流體流動有著決定性的影響。本案例介紹在COMSOL內建立復雜的圓片裂隙網絡模型，并模擬流體穿過裂隙時的流體流動行為。
圓片狀裂隙模型可采用CAD纖維密堆積3D插件建立，模型的參數設置如圖所示。
在AutoCAD內將生成的裂隙聚積模型導出為sat格式文件后，再將模型導入到COMSOL內，即可完成初始裂隙模型的建模
。
對模型設置材料并劃分網格。
進行三維滲流模擬，選擇層流穩態，將模型左側設置入口，右側設置出口，提交分析并完成模擬。
本案例中對模型的設定是流體不能穿過模型內的圓片結構，如模擬土層內的圓片顆粒夾雜對滲流的影響等。模型采用了圓片堆積算法，能更好的擬合實際工程中圓片狀顆粒在重力下的堆積工程場景。
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本案例介紹在COMSOL內建立復雜的圓片裂隙網絡模型，并模擬流體穿過裂隙時的流體流動行為。
圓片狀裂隙模型可采用CAD纖維密堆積3D插件建立，模型的參數設置如圖所示。
COMSOL中比較容易生成離散裂隙網絡（DFN)，模型計算量會小一些。
下面幾幅圖是實驗室、現場水力壓裂裂縫擴展的效果展示圖。
步驟1:生成模型幾何和網格
首先，可以使用 AutoCAD? 或 Rhinoceros? 等 CAD 軟件構建幾何上表示為線/折線的離散裂隙網絡。然后將幾何數據導出為 DXF? 文件，這些文件可以直接導入 COMSOL Multiphysics。這一步驟也可以在 MATLAB? 中完成，按照規定的概率分布生成合成裂隙網絡，并將其導出到 DXF?。
針對裂隙多孔介質流體注入引起天然裂隙的激活，巖石產生新損傷形成水力裂縫，本案例建立了裂隙多孔介質流固耦合-損傷模型，實現如下功能：
（1）采用comsol with matlab建立隨機天然裂隙網絡幾何模型；
（2）針對天然裂隙，建立裂隙模型，考慮其變形過程對裂縫寬度和滲透率的影響，可得到裂隙寬度分布；
（3）考慮損傷演化過程和流固耦合作用，巖石孔隙度和滲透率隨著損傷和應力大小變化
本案例基于構建的離散裂隙網絡模型，在COMSOL中進行了油氣在儲層裂隙及基質中的滲流規律模擬分析。本案例可實現以下功能：
可靈活改變裂隙網絡幾何參數表征不同特性的儲層；
可進行油，氣，水在地下裂隙及空隙中的流動規律分析；
可對裂隙儲層的油氣抽采等工程進行模擬仿真；
可在該案例上自主添加固體力學場和熱場進行更復雜的分析；
該程序可實現構建表征地下儲層的復雜離散裂隙網絡。每條裂隙可通過控制裂隙跡長，裂隙開度，裂隙方向三個參數改變單條裂隙幾何形貌。可通過分別控制三個參數的分布規律（均勻分布，正態分布，對數正態分布，指數分布等）及一定面積內的裂隙密度來控制整個裂隙網絡的形貌。
生成的裂隙網絡可進一步后處理導入有限元模擬軟件，如COMSOL進行流體流動及固體變形仿真模擬。
水力壓裂是低滲油氣田、煤層氣、頁巖氣開發的核心增產技術，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絡，使油氣能夠通暢流入井中。水力壓裂已經成為頁巖氣開發的革命性增產措施，而且在地熱能開發、煤礦瓦斯抽放等領域也發揮了很大的作用。
為了達到最佳的壓裂效果，需要對水力壓裂進行優化
，使得改造體達到最佳經濟產量的要求。
流體分析模塊
世界前沿的裂隙流分析技術，用于模擬流體沿裂隙網絡的流通、擴展、遷移行為，并可以考慮兩相不可混/近似不可壓介質流。流體分析模塊可與其他模塊實現耦合計算技術，特別地，流-固耦合分析中，裂隙導水率與其變形呈函數關系變化，裂隙水壓力與介質骨架實現相互作用。總體地，UDEC可處理承壓流、瞬態流、兩相流和自由液面計算等諸如此類的流體問題。
