裂隙介质全耦合流体力学模拟

作者形象

通过清华Lei

客人
2021年7月1日

今天,特邀博主雷庆华博士加入我们,讨论一种新的模拟裂隙介质中全耦合流体力学过程的方法。

了解断裂地质介质中固体变形与流体流动之间的耦合关系,对于解决地球科学和岩土工程中的许多核心问题,如地下挖掘、油气提取、碳封存、地热生产和废物处理,具有重要意义。本文描述了一种基于COMSOL Multiphysics®软件的压裂介质中全耦合流体力学过程建模的新方法。

为什么使用COMSOL Multiphysics®进行流体力学建模?

一般来说,在裂缝介质中耦合流体力学过程的建模中存在两个主要挑战。一种是嵌入大量天然裂缝的地质介质的不连续性质的表征,这些裂缝普遍存在于许多不同的长度尺度上,并经常主导系统的整体行为(Ref。2).其次是流体力学耦合机制的计算,包括直接耦合(即固体和流体场之间的相互作用)和间接耦合(即岩石/裂缝属性的改变)。

在过去的几年里,已经开发了大量的商业软件包和开源研究代码,旨在解决这些挑战。然而,它们中的许多都必须使用不同的求解器来计算流体和固体方程,因此耦合必须通过额外的处理步骤来实现,这既不方便也不高效。此外,大多数现有代码不能同时真正捕获直接和间接耦合,因此通常必须进行假设或简化。

使用COMSOL Multiphysics的动机是它的特殊能力:

  1. 同时求解多物理方程,实现直接耦合
  2. 将模型参数定义为其他场变量的函数,实现间接耦合
  3. 明确表示离散的裂缝,并解决其中的物理过程(如裂缝流动和裂缝变形)

下面,我们将阐述在COMSOL Multiphysics中建立裂缝介质全耦合流体力学模拟数值模型的步骤,并给出一些仿真实例。

模型程序

在COMSOL Multiphysics中进行数值模拟涉及三个主要步骤。

步骤1:生成模型几何和网格

首先,可以使用AutoCAD®或Rhinoceros®等CAD软件构建以直线/折线为几何表示的离散裂缝网络。几何数据然后导出为DXF™文件,可以直接导入到COMSOL Multiphysics。这一步骤也可以在MATLAB®中完成,按照规定的概率分布生成合成裂缝网络,并将其输出到DXF™。

提示:正如本文所述,您还可以使用离散裂缝网络插件直接在COMSOL Multiphysics中现有的几何形状中创建随机裂缝裂缝性储层的三维实例

导入几何图形后,我们使用三角形有限元的非结构化网格(通过Delaunay镶嵌)对区域进行离散,其中天然裂缝由嵌入相邻有限元之间的节点单元表示(图1)。

流体力学模型的离散网格,标有天然裂缝、岩石基质、节理单元、单元节点和三角形有限元单元。
图。1。该模型采用三角形有限元的非结构化网格离散化,其中天然裂缝由嵌入相邻有限元之间的节理单元表示。

第二步:建立模型并定义材料特性、耦合参数和边界条件

我们使用固体力学达西定律利用COMSOL Multiphysics界面模拟裂缝介质中的流体力学过程。我们激活Poroelasticity界面实现了固体与流体方程的直接耦合。我们定义了岩石基质和裂缝的材料性质和本构方程。一些岩石/裂缝属性,如孔隙度、储层性和渗透率,被定义为局部应力/压力状态的函数,以实现间接耦合。我们还定义了机械和水力边界条件。

第三步:计算解

我们在两个连续的阶段运行模型。在第一阶段,系统在给定条件下(通过斜坡加载)达到初始平衡原位压力和压力条件。然后,在第二阶段,我们模拟系统在工程活动(如流体注入或地下开挖)下的响应。

仿真例子

例1:裂缝性岩石中的流体注入

我们应用该模型来模拟裂隙岩石在流体注入(Ref。).模型可以实际捕获压力扩散在多孔介质和脆性骨折,完整岩石中引起损伤的重要影响以及骨折配置在流体力学的过程(图2)。该模型还可以让我们直观地检查详细的损伤演化,压力,,并进一步研究了孔隙弹性对驱动系统中新的损伤传播的基本控制(图3)。根据模拟结果,我们还可以分析完整岩石的脆性破坏和/或天然裂缝的摩擦滑动引起的诱发地震活动的时空演化(图4)。

图。2。注液过程中裂隙岩石的压力演化与损伤扩展。

一个3 × 3的网格图像,显示了顶部一行的损伤,中间一行的应力比,底部一行的流体压力,局部区域的岩石破裂。
图。3。检查(a)损害的分布情况;(b)应力比(即局部最大主应力与局部最小主应力的比值);(c)裂隙岩石局部区域的流体压力(通过高度表达式显示)。

一个2 × 4的网格图像显示了在不同时间戳的破裂岩石中诱发地震事件的空间分布和演化。
图。4。低、高裂隙密度分别为0.5和1.5的裂隙岩石中诱发地震事件的空间分布和演化规律。

例2:裂隙岩石的地下开挖

该模型还可用于模拟裂隙岩石中的开挖扰动和由此产生的瞬态流体力学行为(Ref。4).我们捕捉到明显的压力变化和扩散作为开挖的结果(为时间t= 0-0.1 h)和随后的引流(为时间t= 0.1~20 h)的过程,以及应力变化和损伤演化(图5)。我们通过对Biot系数进行灵敏度分析,说明了流体力学耦合的重要作用。结果表明,当Biot系数越高(或者说耦合越强)时,开挖引起的孔隙弹性压力场越不均匀,岩石损伤和破裂位移也越大。开挖和排水阶段都会诱发与岩石基质脆性损伤和/或天然裂缝摩擦滑动相关的地震事件(图6)。

图。5。裂隙岩石在开挖过程中及开挖后的压力、应力和损伤演化。

一个2 × 2的网格图像显示了地震事件在破裂岩石中的空间分布,左边的图像显示了在挖掘过程中的岩石,右边的图像显示了在排水过程中的岩石。
图。6。不同Biot系数α的裂隙岩石在开挖(左图)和排水(右图)阶段的地震事件空间分布。

除了上述的流体力学模型外,我们还开发了一个完全耦合的热流体力学模型来模拟裂缝型地热储层在长期水循环和产热过程中的性能(Ref。3).

参考文献

  1. 雷青等,“模拟天然裂缝中流体注入引起的裂缝激活、损伤增长、地震活动发生和连通性变化”,岩石力学与工程学报,没有。第138卷,第104598卷,2021年。
  2. Q. Lei等人,“利用离散裂缝网络模拟裂隙岩石的耦合地质力学和水文行为”,电脑和土工技术,没有。85, pp. 151-176, 2017。
  3. 孙振宇等,“地应力和热扰动对裂缝性地热储层热传递的联合影响”,岩石力学与工程,没有。54,页2165-2181,2021。
  4. 赵c等,“水-力耦合在天然裂隙岩石开挖损伤扩展、断裂变形和微地震演化中的作用”,工程地质,没有。289,第106169卷,2021年。

关于作者

雷清华博士,讲师,瑞士ETH Zürich地球科学系高级科学家。他拥有中国同济大学土木工程学士学位(2009年)和硕士学位(2012年),以及英国帝国理工学院岩石力学博士学位(2016年)。雷博士获得了国际岩石力学和岩石工程学会(ISRM)的Rocha奖章,以及NGW Cook博士论文奖和美国岩石力学协会(ARMA)的岩石力学研究奖。雷博士的研究兴趣包括岩石力学、耦合过程、断裂表征、多相流、地震波、诱发地震活动和边坡稳定性。他是断裂岩石热-水力-机械-化学过程ISRM委员会的秘书长,ARMA未来领导人,以及ARMA地下储存和利用技术委员会的创始成员。

Autodesk、Autodesk徽标、AutoCAD和DXF是Autodesk, Inc.和/或其附属公司和/或关联公司在美国和/或其他国家的注册商标或商标。

Rhinoceros是TLM, Inc.的注册商标。DBA Robert McNeel & Associates Corporation。

MATLAB是The MathWorks, Inc.的注册商标。


评论(0)

留下你的评论
乐动体育app
加载……
探索COMSOL乐动体育赛事播报博客