基于XFEM簡單的水力壓裂模擬

2017-03-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

水力壓裂就是利用地面高壓泵,通過井筒向油層擠注具有較高粘度的壓裂液。當注入壓裂液的速度超過油層的吸收能力時,則在井底油層上形成很高的壓力,當這種壓力超過井底附近油層巖石的破裂壓力時,油層將被壓開并產生裂縫。這時,繼續不停地向油層擠注壓裂液,裂縫就會繼續向油層內部擴張。為了保持壓開的裂縫處于張開狀態,接著向油層擠入帶有支撐劑的攜砂液,攜砂液進入裂縫之后,一方面可以使裂縫繼續向前延伸,另一方面可以支撐已經壓開的裂縫,使其不致于閉合。再接著注入頂替液,將井筒的攜砂液全部頂替進入裂縫,用石英砂將裂縫支撐起來。最后,注入的高粘度壓裂液會自動降解排出井筒之外,在油層中留下一條或多條長、寬、高不等的裂縫,使油層與井筒之間建立起一條新的流體通道。壓裂之后,油氣井的產量一般會大幅度增長。

當然水力壓裂是一個相當復雜的施工工藝,要完全簡化其工況需要考慮很多因素,比如壓裂液濾失,以及流固耦合等,在此,不做過多介紹,本文只對水力劈裂巖石這一簡單機理,基于擴展有限元進行模擬計算。

基于XFEM定義裂紋擴展面,隨著裂紋擴展,通過在裂紋面上加載壓力來模擬水力壓裂過程中巖石裂縫內的壓裂液的靜壓力。

模擬參數:

裂紋面施加5Mpa水壓力。

注:參數取自文獻【張汝生等,水力壓裂裂縫三維擴展 ABAQUS 數值模擬研究】

模擬結果對比:

圖1 不施加水壓力

圖2 施加水壓力

圖3 相同增量步時,Mises應力(不施加水壓力)

圖4 相同增量步時,Mises應力(施加水壓力)

圖5 相同增量步時,S22(不施加水壓力)

圖6 相同增量步時,S22(施加水壓力)

注:變形系數均為50

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