基于PHF-LSM-MT的非均质岩石细观界面与水力压裂数值建模

李 明, 赵 岐, 张砚琨, 梁 力

(东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819)

水力压裂技术是目前石油和天然气开采过程中的重要增产措施，自该技术提出以来,在物理模型试验、理论研究和数值模拟等方面开展了深入和广泛的研究.例如,基于经典断裂力学理论基础的水力压裂模型包括:由Perkins,Kern和Nordgren提出的PKN模型,由Khristianovitch,Geertsma和de Klerk等提出的KGD模型,准三维水力压裂理论模型P-3D模型,在此基础上通过引入Carter方程考虑流体滤失的PKN-C模型,KGD-C模型和P-3D-C模型等[1].虽然用于水力压裂计算的理论模型能得出裂缝的主要特征,但是其理论解均建立在严格的假设基础上,对于求解复杂地质条件下的水力压裂发展过程有很大限制;而数值计算方法可以解决这一问题,同时与试验方法相比有成本低、效率高的优点.

水力压裂计算的数值方法有弥散裂缝模型[2]、内聚力模型[3]、扩展有限元法[4]和相场法[5]等.其中弥散裂缝模型在计算过程中无需引入真正的裂缝和重构网格,适用于岩石材料拉伸破坏和土体材料剪切破坏过程的模拟.该方法通过修改破坏区域的材料参数(如弹性模量和渗透系数等)实现水力裂缝发展过程模拟[6].同时该模型易于与其他数学方法结合,例如:以弥散裂缝模型为基础的PHF(permeability-based hydraulic fracture)水力压裂数值计算模型假设岩石材料在开裂过程中的渗透率为平均有效应力的函数,基于流固耦合理论,实现了水力裂缝在均质岩石材料中的传播过程的模拟[7];通过引入水平集法……