提名奖｜模拟非饱和岩石介质水压裂纹扩展的内嵌不连续有限元法

模拟非饱和岩石介质水压裂纹扩展的内嵌不连续有限元法

主要完成人：

刘福深

主要完成单位：

浙江大学建筑工程学院

油气开采领域中的水力压裂过程使用高压流体使岩石介质发生破裂，提高周围地层的渗透性，进而提升油气资源的生产效率。水力压裂包含复杂的力学机理和演变特性，是在多相渗流作用下岩土介质的非饱和流-固-断裂耦合的破坏过程。本项目紧密围绕非饱和裂隙岩石介质的特性，研究毛细压力、孔隙变形与水力压裂过程三者的耦合关系，并系统推导了多物理场控制方程。该研究的主要特色是将非饱和岩石渗流机理、岩体变形破坏演化规律和水力压裂基本理论有机地融合在以内嵌不连续有限元法为基础的数值框架里。与其他有限元法相比，该方法主要优势包括：（1）裂纹的开度定义在高斯点上，因此不会增加求解体系的整体未知量数目；（2）不需要显式描述裂纹几何，因此更容易处理复杂的三维裂纹网络，包括裂纹的交叉和分叉等；（3）所有增加的计算量都在高斯点上，非常适合在常规并行有限元程序上实现。通过内嵌不连续有限元法建立全耦合水力压裂过程的数值模拟平台，在分析起裂水压、裂纹扩展深度与开度和压裂液滤失等宏观效应的基础上，揭示非饱和岩石介质水力压裂过程中流固耦合的变形断裂机制，可为油气工程中遇到的水力压裂问题提供更加系统的理论分析与计算方法。