基于XFEM简单的水力压裂模拟

2017-03-13  by:CAE仿真在线  来源:互联网

水力压裂就是利用地面高压泵,通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时,则在井底油层上形成很高的压力,当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时,油层将被压开并产生裂缝。这时,继续不停地向油层挤注压裂液,裂缝就会继续向油层内部扩张。为了保持压开的裂缝处于张开状态,接着向油层挤入带有支撑剂的携砂液,携砂液进入裂缝之后,一方面可以使裂缝继续向前延伸,另一方面可以支撑已经压开的裂缝,使其不致于闭合。再接着注入顶替液,将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝,用石英砂将裂缝支撑起来。最后,注入的高粘度压裂液会自动降解排出井筒之外,在油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝,使油层与井筒之间建立起一条新的流体通道。压裂之后,油气井的产量一般会大幅度增长。

当然水力压裂是一个相当复杂的施工工艺,要完全简化其工况需要考虑很多因素,比如压裂液滤失,以及流固耦合等,在此,不做过多介绍,本文只对水力劈裂岩石这一简单机理,基于扩展有限元进行模拟计算。

基于XFEM定义裂纹扩展面,随着裂纹扩展,通过在裂纹面上加载压力来模拟水力压裂过程中岩石裂缝内的压裂液的静压力。

模拟参数:

裂纹面施加5Mpa水压力。

注:参数取自文献【张汝生等,水力压裂裂缝三维扩展 ABAQUS 数值模拟研究】

模拟结果对比:

图1 不施加水压力

图2 施加水压力

图3 相同增量步时,Mises应力(不施加水压力)

图4 相同增量步时,Mises应力(施加水压力)

图5 相同增量步时,S22(不施加水压力)

图6 相同增量步时,S22(施加水压力)

注:变形系数均为50

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