水力压裂在工程领域具有十分重要的研究价值. 自上世纪中期以来, 水力压裂技术被石油公司广泛用于石油开采. 水力压裂不仅能增加油井产量, 还能提高油井净现值,实现经济效益. 近期, 水力压裂技术成功应用于页岩气的开采[1]. 尤其在美国, 水力压裂实现了一次页岩气革命.
在页岩气开采中,将压裂液通过高压泵注入井筒,当压力达到地层破裂压力时,将地层压开 (图 1). 此时, 继续保持压力并将压裂支撑剂注入到新形成的裂缝中,以防止裂缝闭合. 此后,页岩气将通过裂缝和井筒释放出来用以收集.
水力压裂技术在其他领域也有应用. 比如在地热工程[3]中,向地层注入低温水,通过天然地层加热, 再抽出高温水给人们供暖. 水力压裂也可能带来不良后果,如地下水的作用可能导致大坝出现裂缝并崩塌[4]. 又如在地球物理中,岩浆在地壳中的流动可能会导致岩体开裂并喷发出来[5],从而造成大规模的自然灾难.
因此,研究水力压裂问题不仅可使人类从中受益,而且还能避免灾难发生. 目前, 水力压裂研究方法包括理论法、数值法和试验法三类. 自20世纪50年代以来, 各国学者纷纷提出不同的理论模型,包括PKN模型[6, 7]、KGD模型[8]、P3D模型[9]和PL3D模型[10]等, 被广泛应用于油藏压裂模拟中. 这些模型通常事先假定扩展路径, 这种假设让模型计算不够准确. 因此,自20世纪80年代以来, 各种更为准确的数值方法纷纷被用来模拟水力压裂问题.
早期模拟水力压裂流行的方法当属位移不连续法 (displacement discontinuity method,DDM),它属于边界元法 (boundary element method,BEM) 的一种[11]. Lecampion和Detournay[12]使用位移不连续法模拟了水力压裂过程. 之后Lecampion[13]又使用扩展有限元法 (extended finite element method,XFEM) 模拟了裂纹尖端在任意给定时刻的发展过程. Dahi-Taleghani[14]使用扩展有限元法研究了有交叉裂缝的压裂过程. Hunsweck等[15]使用有限元法 (finite element method,FEM) 模拟了有流体滞后效应的压裂过程. 近年来的热门数值方法包括: 基于有限元的内聚力模型法 (cohesive zone model) [16, 17]、损伤模型法[18]、裂缝化单元法 (fractured element method) [19, 20],基于边界元的非常规裂缝法 (unconventional fracture method,\linebreak UFM) [21]和基于颗粒的方法[22, 23, 24]等.
以上数值模型可分为两类: 一类是基于连续介质力学的方法,另一类是基于非连续介质力学的方法. 两类方法各具特色: 连续介质方法求解应力场准确,非连续方法求解任意裂纹扩展更有优势. 因此,本文使用有限元和离散元的混合方法 (CDEM) [25, 26, 27, 28]来模拟水力压裂问题. CDEM是连续-非连续单元法 (continuous-discontinuous element method) 的简称,是近期发展起来的一种数值计算方法. 计算时,求解区域被离散为块体单元, 每个块体单元可以是一个有限单元,也可以分为多个有限单元. 根据有限单元刚度矩阵,可写出任意块体的刚度矩阵, 而块体之间不组成总体刚度矩阵. 然后采用动态松弛技术来求解各个块体单元的位移、应变和应力等变量. 此外, 裂缝内渗流场由有限体积法进行求解 (finite volume method,FVM) [29, 30]. 该耦合方法可集成各个数值方法的优势,并提高计算效率.
1 固体计算模型 1.1 应力场计算对于计算域内的每一个块体或单元,应满足应力平衡方程
\[\rho \mathop u\limits^{..} + \alpha \mathop u\limits^. = \nabla \cdot \sigma + \rho b + f\] | (1) |
应力-应变关系为
\[\sigma = D:\varepsilon \] | (2) |
几何关系为
\[\varepsilon = \frac{1}{2}(u\nabla + \nabla u){\text{ }}\] | (3) |
通过变分法,将式(1)化为单元矩阵形式
\[M{\ddot u^e} + C{\dot u^e} + K{u^{\text{e}}} = {F^{\text{e}}}\] | (4) |
在时间域内,采用显式差分进行迭代求解,迭代格式为
\[\left. \begin{gathered} {{\dot u}^{n + 1}} = {{\dot u}^n} + {{\ddot u}^n}\Delta t \hfill \\ {u^{n + 1}} = {u^n} + {{\dot u}^{n + 1}}\Delta t \hfill \\ \end{gathered} \right\}\] | (5) |
相邻块体之间依靠接触连接 (图 2),每一个接触由一个法向弹簧和一个切向弹簧组成 (图 3). 采用的破坏准则为最大拉应力准则或摩尔-库伦准则. 相邻块体接触点的相对位移与弹簧力之间满足胡克定律
\[\Delta {u_{\text{n}}} = \frac{{{F_{\text{n}}}}}{{{K_{\text{n}}}}} = \frac{{({\sigma _{{\text{n}}1}} + {\sigma _{{\text{n2}}}})A}}{{2{K_{\text{n}}}}}\] | (6) |
\[\Delta {u_{\text{t}}} = \frac{{{F_{\text{t}}}}}{{{K_{\text{t}}}}} = \frac{{({\sigma _{{\text{t}}1}} + {\sigma _{{\text{t}}2}})A}}{{2{K_{\text{t}}}}}\] | (7) |
由连续的单元边界面转化为非连续断裂面的计算方法如下所述. 计算单元界面两侧单元应力, 并计算出在单元边界上的法向和切向应力,如果其中一个单元的应力满足下列破坏条件,则单元界面断裂,产生水力裂缝
\[{\sigma _{\text{n}}}T\] | (8) |
\[{\sigma _{\text{t}}}c + {\sigma _{\text{n}}}\tan \varphi \] | (9) |
若弹簧满足最大拉应力准则(8),则弹簧发生拉伸破坏,此时弹簧力需要修正为
\[{F_{\text{n}}} = 0{\text{ }}\] | (10) |
若断裂面上的受力状态,满足摩尔-库伦剪切破坏条件(9),则弹簧力需要修正为
\[{F_{\text{t}}} = {F_{\text{n}}}\tan \varphi \] | (11) |
弹簧断裂之后,裂缝开度可通过弹簧所连接两端的节点位移差求得
\[w = {\text{|}}({u_1} - {u_2}) \cdot {n_{12}}|\] | (12) |
裂缝中的渗流满足方程
\[\frac{1}{{{K_{\text{f}}}}}\frac{{\partial p}}{{\partial t}} - \nabla \cdot \left( {\frac{{{w^2}}}{{12\mu }}\nabla p} \right) = q\] | (13) |
采用中心型有限体积法[29, 30]对式(13)进行数值求解,计算原理如图 4所示.
根据文献[29, 30]可得相邻两个单元之间的流量与两个单元压力差之间的关系为
\[{Q_{ij{\text{ }}}} = {\text{ }}{T_{ij}}({p_i} - {p_j})\] | (14) |
\[{T_{ij}} = \frac{{2{\kappa _i}{\kappa _j}}}{{{\kappa _i}{L_j} + {\kappa _j}{L_i}}}\] | (15) |
\[{\kappa _i} = \frac{{w_i^3}}{{12\mu }}\] | (16) |
对式(13)在时间域上进行离散,可得
\[{p_i} = {K_{\text{f}}}(1 - \frac{{{V_i}}}{{{Q_i}}})\] | (17) |
\[{Q_i} = {Q^{{\text{ext}}}} - \sum\limits_{_j} {{Q_{ij}}} \] | (18) |
水力压裂计算流程如图 5所示,整个计算流程大体可分为3个部分:
(1) FEM计算应力场
包括计算节点加速度、节点速度、节点位移与节点力等.
(2) DEM计算裂缝网络
包括计算弹簧力,调用断裂准则判断是否断裂,更新裂缝网络,计算裂缝开度等.
(3) FVM计算渗流场
包括计算流量、压力等.
以上三场分别通过3个求解器进行求解,彼此之间相互独立. 它们通过数据传递进行联系,实现显式求解过程. 数据交换表明它们之间的耦合关系.
采用KGD模型 (如图 6所示) 进行数值验证,KGD模型假设: (1) 缝高是固定的; (2) 符合平面应变假设; (3) 缝内流体流动符合光滑平板流假设.
由此,Geertsma和de Klerk[8]导出KGD模型中缝长L、井口处缝宽w0随时间t演化关系. 此外,Dahi-Taleghani[14],Valko和Economides[32]及Fu等[33]也给出这两个公式
\[L(t) = 2 \times 0.539{\left( {\frac{{E'q_0^3}}{\mu }} \right)^{1/6}}{t^{2/3}}\] | (19) |
\[{w_0}(t) = 2.36{\left( {\frac{{\mu q_0^3}}{{E'}}} \right)^{1/6}}{t^{1/3}}\] | (20) |
采用100m × 100m的计算区域,如图 7所示,计算网格数分别为细网格7378个,粗网格5620个.假定裂缝从两个不同颜色的交界面产生. 这两个不同颜色的区域具有相同 的计算参数,参数见表 1.
KGD模型中,只有一条拉伸裂缝,不发生剪切破坏,因此计算中c和φ均取一个较大的数. 使用细网格计算得到的裂缝形 状如图 8所示.
计算数值解与KGD理论解的对比如图 9和图 10所示. 图 9为裂缝长度随时间的变化,图 10为裂缝宽度随时间的变化. 由图 9和图 10可以看出,不管是粗细网格,使用本文提出的混合方法所计算出的数值解与KGD模型的理论解均基本相符, 从而验证本文数值方法的正确性. 但是从两张图中也可以看出,数值解与理论解之间尚存在微小的差异.
图 9中采用粗网格(coarse)计算裂缝长度具有跳动性,而不像解析解那样光滑. 图 10中采用粗网格计算裂缝宽度在开始时比理论解小,后期较大. 采用细网格(fine)计算后,图 9和图 10中的数值解与理论解符合更好. 这说明: 数值计算具有网格尺寸效应,越加密的网格,计算结果就会越接近理论解.
值得一提的是,涉及到流固耦合问题的计算是非常耗时的,该算例中细网格数目为7378个,在CPU i7 3770上的计算时间达到10h.
4.2 与数值计算结果对比采用图 11所示计算模型进行数值计算,计算区域为200mm × 200mm,中间压裂孔直径为20mm. 采用Gmsh[34]划分网格,网格数量为3952个. 计算区域受到两向压应力作用,分别为σx= -10.0MPa, σy= -5.0MPa. 该模型中模 拟的是花岗岩的水力压裂过程,其计算参数如表 2所示.
为节省计算时间,假设初始时刻压裂孔内充满流体,且裂隙内具有初始压力p0= 8MPa. 计算得到井口处 (坐标x=-10mm,y=0mm) 压力随时间变化曲线,如图 12所示. 压力曲线呈现先上升,然后波动的趋势,曲线最高点即为岩体的破裂时刻.
从图 12中的原始数据可知,所计算岩体的破裂压力为15.7MPa,相同参数下Shimizu等[22]通过颗粒离散元法模拟结果 (文中Case B3-low) 为17.3MPa. 两者相差-9%,说明模拟结果较准确.
最终的压裂裂缝形态如图 13所示. 图 13(a)中,井筒在初始时受到水压作用,产生圆环状破裂. 随着流体进一步注入, 裂缝沿着平行于最大压应力的方向向两侧扩展. 裂纹扩展位置和方向, 与Shimizu等[22]给出的颗粒离散元计算结果相近,如图 13(b). 不同之处在于: Shimizu等[22]的结果中井筒附近岩体较完整,而远离井筒的地方出现了若干小的分支裂缝;本文模拟结果中井筒附近产生破裂,而远离井筒的地方裂缝单一.
计算模型采用图 14中含天然裂缝水平井分段压裂模型. 该模型中含有一组天然裂缝,平均缝长为10m, 裂缝与水平方向倾角平均值为6°,裂缝之间的竖向间距平均为15m,相邻水平裂缝间距约为10m. 计算时采用水平井分段同步压裂技术,1,2,3为3个同步压裂射孔位置,射孔间距为20m. 整个模型的尺寸为80m × 120m. 使用Gmsh[34]划分网格,网格尺寸为2m,网格数量为6801个. 计算边界条件为水平地应力σh和竖向地应力 σv约束,以及3个射孔的流量边界q0. 由于计算采用线弹性本构模型,符合叠加原理. 故计算模型取σh =0,σv=Δσ 为两向地应力之差. 其他计算参数如表 3所示.
通过数值模拟可以获得各种测井信息,如井口处压力曲线,如图 15所示. 从曲线中可看出井口压力具有很大的波动,这是由于裂缝的动态扩展导致的. 当裂缝内压力不足以导致裂缝扩展时,流体压力上升,当发生断裂时,流体迅速流出, 导致压力下降. 这个压力动态波动过程一定程度可以反映裂缝扩展情况.
为了更清晰地显示裂缝压力和开度云图,将模型拉伸为准三维模型, 拉伸方向为z方向,拉伸深度为30m. 拉伸后的裂缝压力云图以及裂缝宽度云图分别如图 16和图 17所示.
从图 16和图 17中可以看出,3个射孔点1,2,3分别压裂出3条主裂缝,我们分别称之为HF1,HF2和HF3. 3条裂缝扩展并非齐头并进,而是有快有慢.
刚开始时 (图 16(a)和图 17(a),对应于t = 20s之前) HF2的扩展受到周围两条裂缝的影响,扩展速度较慢. 这是由于HF1和HF3扩展后,水压力作用于裂隙面上,使得HF1和HF3之间区域的压应力变大,因此HF2扩展变得相对困难. 然后 (图 16(b)和图 17(b),t=20s之后),HF3率先与天然裂缝贯通, 导致部分流体流量分配给天然裂缝,这时应力场释放,HF2扩展速度变快,形成3条裂缝并驾齐驱的态势. 再到后来 (图 16(c)和图 17(c),t=40s之后) 3条裂缝均与天然裂缝贯穿,应力场进一步改变. 最后 (图 16(d)和图 17(d),t= 85s之前),中间裂缝HF2继续向前发展,但HF1由于计算区域边界效应扩展出分支缝.
通过对比观察图 15~图 17进一步发现,图 15中井口1在60s之后压力出现快速下降趋势. 这是由于裂缝HF1此时与两侧天然裂缝均产生贯通,导致大量流体流走,从而使得井口压力迅速下降. 井口2的压力整体上一直处于上升趋势,这是由于周围两口井的压力导致的. 与上述过程中HF2裂缝在t= 20s后出现缓慢增长有相同的原因. 井口3在75s后压力迅速下降,这是由于裂缝HF3与3条天然裂缝贯穿所导致的.
通过观察以上压力曲线、压力云图、开度云图等可以发现裂缝扩展机理,了解整个水力压裂过程的进程. 此外, 还可以通过观察二维云图,来分析水力裂缝的扩展,包括2个方向的位移云图、3个方向的应变云图以及3个方向的应力云图. 图 18所示为不同时刻的x方向位移云图. 通过该图可看出,在两向应力差Δσ 的影响下, 水力裂缝基本沿着垂直于最小压应力的方向扩展. 由于网格的随机性,水力裂缝产生了细小的弯曲. 此外, 由于应力场的变化,也导致裂缝发生一定转向. 图 18(d)中可看出, 裂缝HF1以及裂缝HF3的上下两端均发生明显的向外侧弯曲现象. 这也符合Kresse等[21]在非常规裂缝模型中的模拟结果. 图 19所示为不同时刻的y方向位移云图, 一定程度上反映裂缝两侧剪切位移情况. 从该图可以看出y方向位移比x方向位移小,说明图示裂缝主要以拉伸缝为主.
本文基于连续-非连续单元法 (CDEM) 和中心型有限体积法 (FVM), 提出解决水力压裂流固耦合的二维混合数值计算模型. 该混合模型使用CDEM求解应力场和裂缝扩展过程, 使用FVM求解裂隙渗流场. 应力场、裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解,并通过彼此之间数据交换实现流固耦合. 此外, 还给出整个水力压裂的计算流程,实现了复杂裂隙网络的水力压裂数值模拟.
通过与KGD水力裂缝扩展理论解对比,裂缝扩展长度与宽度均符合较好, 从而验证本文数值模型正确性. 并通过比较粗、细网格上的数值计算结果, 说明网格尺寸效应. 然后通过与相同参数下Shimizu等的颗粒离散元计算结果进行对比, 破裂压力与裂缝形态整体相符,但存在微小差异,仍可验证本文数值方法的有效性.
初步计算一个含有天然裂缝网络的水平井多段水力压裂案例, 阐述了整个压裂过程中的现象,并研究其压裂机理. 研究表明: 裂缝扩展受整个应力场改变影响很大,会因应力场改变而发生很明显的路径改变, 如图 18中裂缝的转弯; 此外,压裂井口的压力一定程度可以反映裂缝扩展情况. 该案例说明本文数值模型在水力压裂方面具有光明的前景.
本文数值模型的优点是计算准确, 并充分发挥有限元法、离散元法和有限体积法的优势,适用于水力压裂机理研究. 该模型的缺点是计算量大,计算时间较长,有望通过并行化提高计算效率, 从而实现工程级别应用.
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