[发明专利]一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法

说明书

本发明公开一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法，包括以下步骤：S1.对待测岩体进行分析运算，获得所述待测岩体的基本变量；S2.基于双内聚力准则和所述待测岩体的基本变量获取岩体断裂情况；S3.基于所述岩体拉伸、剪切断裂情况进行多尺度模拟分析，获得所述岩体压裂裂缝扩展情况。本发明能够通过双内聚力断裂准则检测流体驱动拉伸和剪切型裂缝的起裂和扩展，并且考虑了流‑固耦合和漏失效应，能够实现多尺度下水力裂缝的动态扩展检测。

技术领域

本发明涉及矿业新能源(煤层气、致密气、页岩气)的水力压裂开发技术领域，特别涉及一种基于双内聚力准则的拉剪多尺度压裂裂缝模拟方法。

背景技术

随着国家社会经济的发展，国家对于油气资源的需求越来越大，开发深部能源成为是国家能源安全的战略需求。为提高国家的油气资源产量，必须从难度更大的深部低渗透致密油气储层出发。对于低渗透储层的开发，目前常用的技术是大规模水力压裂，即利用地面大功率泵将压裂液流体注入储层中，在储层中形成复杂裂缝网络，通过压裂裂缝网络成为油气产出的通道，降低油气渗流的阻力、扩大油气渗流面积。对水力压裂缝网的控制、评估和优化成为优化压裂效果，提高油气产出率的关键，准确裂缝扩展类型与扩展行为成为亟需开展的工作。

水力压裂过程涉及到压裂液驱动裂缝扩展的复杂物理过程，如岩体基质的变形、压裂液在岩体基质与裂缝网络中的流动、压裂裂缝网络的扩展演化的相互耦合行为，展示出流体与固体的相互耦合作用。目前压裂液驱动裂缝扩展模拟中，多认为裂缝为拉伸型裂缝，但实际监测与物理实验发现存在剪切型破坏和裂缝扩展现象，这对拉伸型与剪切型的模拟方法提出较高要求，在实验室尺度和工程尺度等多个物理尺度下将实际水力压裂缝网扩展过程可视化。

目前，水力压裂裂缝扩展数值模拟技术中存在以下几种断裂准则：(1)最大拉应力准则：认为破裂沿第一主应力作用的方向扩展且裂隙开始扩展的应力条件是裂隙端部的第一主应力等于材料的抗拉强度；(2)基于能量的断裂准则：认为裂缝扩展时会释放出一定量的应变能，只有当裂缝扩展单位长度所释放出的应变能大于克服阻力所需的功时，裂缝才会发生扩展。因此，将临界能量释放率作为裂缝开裂的判据；(3)基于应力强度因子的断裂准则：应力强度因子描述了裂缝周边塑性区域的应力状态，把影响裂纹尖端性状的各种因素综合为裂尖应力应变场强度，以数值表示了不同裂纹尖端趋向开裂的严重程度。该准则认为当材料的应力强度因子大于其断裂韧度时，材料发生脆性断裂。其中，最大拉应力准则是基于应力的准则，难以描述断裂过程的能量耗散过程，并且应用范围相对较为局限，只能用于判断拉伸型的压裂裂缝扩展；基于能量的断裂准则未能很好地考虑塑性变形、损伤演化与应力集中在能量平衡中所起的作用，并且目前用于水力压裂的能量型断裂准则只能考虑拉伸型裂缝的起裂和扩展，难以判断复杂应力状态下的多类型压裂裂缝扩展；基于应力强度因子的断裂准则，难以描述断裂过程的能量耗散过程，同样难以表征岩体断裂过程中的塑性变形、损伤演化行为。