破裂培养基的完全耦合的水力学建模

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经过青年雷

客人
2021年7月1日

今天,客座博客作者青年·莱(Qinghua Lei)博士与我们一起讨论了一种新的方法,用于在破裂的介质中对完全耦合的水力力学过程进行建模。

了解地质介质破裂的固体变形和流体流之间的耦合对于解决地球科学和岩土工程中的许多核心问题至关重要,例如地下发掘,碳氢化合物萃取,碳序列,地热生产和废物处置。这篇博客文章介绍了一种基于ComsolMultiphysics®软件破裂的媒体中完全耦合的水力力学过程进行建模的新方法。

为什么要将ComsolMultiphysics®用于水力力学建模?

一般而言,在破裂的培养基中建模耦合的水力力学过程时,面临两个主要的挑战。一种是代表嵌入了许多自然断裂的地质介质的不连续性,它们在许多不同的长度尺度上存在普遍存在,并且经常主导系统的批量行为(参考。2)。其次是涉及直接耦合(即固体和流体场之间的相互作用)和间接耦合(即岩石/断裂特性的改变)的液压耦合机制的计算。

在过去的几年中,已经开发了许多商业软件包和开源研究代码,以应对这些挑战。但是,其中许多必须使用不同的求解器计算流体和实体方程式,以便必须通过额外的处理步骤来实现耦合,这既不方便也不有效。此外,大多数现有代码不能同时捕获直接和间接耦合,因此通常必须进行假设或简化。

Comsol多物理学的使用是由其出色的功能的激励。

  1. 同时求解多物理方程以实现直接耦合
  2. 将模型参数定义为其他字段变量的函数以实现间接耦合
  3. 明确表示离散裂缝并求解物理过程(例如,裂缝流和断裂变形)

在下面,我们阐明了在Comsol多物理学中构建数值模型的过程,以完全耦合破裂的介质的水力力学建模,然后进行一些模拟示例。

模型程序

在COMSOL多物理学中进行数值模拟涉及三个主要步骤。

步骤1:模型几何和网格的生成

首先,可以使用AutoCAD®或Rhinoceros®等CAD软件来构建几何表示为线/各粒线的离散断裂网络。然后将几何数据导出为DXF™文件,可以直接导入COMSOL多物理。此步骤也可以在MATLAB®中完成,以在规定的概率分布后生成合成断裂网络,并将其导出到DXF™。

提示:您还可以使用离散的断裂网络加载项来创建直接在comsol Multiphysics内部的现有几何形状中创建随机裂缝,如此所述骨折的3D示例

导入几何形状后,我们使用三角有限元的非结构化网格(通过delaunay tessellation)离散域,其中自然断裂由嵌入相邻有限元元素之间的关节元素表示(图1)。

液压模型的离散网格,带有自然断裂,岩石基质,关节元件,元素节点和标记为三角元素的元素。
数字。1.一种示意图,使用三角元素的非结构化网格显示模型离散化,其中自然断裂由嵌入在邻近有限元元素之间的关节元素表示。

步骤2:材料属性,耦合参数和边界条件的模型设置和定义

我们使用固体力学达西定律comsol多物理学中的接口,以模拟断裂培养基中的水力力学过程。我们激活毛弹性接口以实现固体和流体方程之间的直接耦合。我们定义了岩石基质和断裂的材料特性和组成方程。某些岩石/断裂特性(例如孔隙率,稳定性和渗透率)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液压边界条件。

步骤3:解决方案的计算

我们分两个连续阶段运行模型。在第一阶段,系统在给定的下达到了初始平衡(通过坡道载荷)原位压力和压力条件。然后,在第二阶段,我们模拟了受工程活动(例如流体注入或地下发掘)的响应。

仿真示例

示例1:裂缝岩石中的流体注入

我们应用该模型来模拟经过流体注入的断裂岩石的液体力学行为(参考。1)。该模型可以实际捕获断裂的多孔介质和脆性,失败诱导的完整岩石的损伤以及断裂构型对水力力学过程的重要影响(图2)的重要影响(图2)。该模型还允许我们在视觉上检查断裂岩石中损伤,压力和压力场的详细演变,并进一步研究了对驱动系统中新损伤传播的毛弹性的基本控制(图3)。基于模拟结果,我们还可以分析由完整岩石脆弱的失败和/或天然裂缝的摩擦滑动引起的诱导地震性的时空演化(图4)。

数字。2.注入流体过程中骨折的压力演化和损伤传播。

图像的3 x 3个网格显示了上排的损坏,中排的应力比以及底行的流体压力,用于裂缝岩石的局部区域。
数字。3.检查(a)损坏的分布;(b)应力比(即,局部最大原理应力与局部最小值的比率);(c)在断裂岩石的局部区域中的流体压力(通过高度表达可视化)。

图像的2 x 4个网格显示了不同时间邮票上裂缝岩石中诱导的地震事件的空间分布和演变。
数字。4.分别低和高断裂密度为χ= 0.5和1.5的断裂岩石中诱导的地震事件的空间分布和演变。

示例2:裂缝岩石中的地下发掘

该模型还可以应用于模拟裂缝岩石中的发掘诱导的扰动和产生的瞬时液压行为(参考。4)。我们捕获了由于发掘而捕获明显的压力变化和扩散(时间t= 0-0.1 h)和随后的排水(时间t= 0.1〜20 h)过程,以及应力改变和损伤演变(图5)。我们通过对生物系数进行灵敏度分析来说明液压耦合的重要作用。结果表明,使用较高的生物系数(或者说是更强的耦合),挖掘倾向于通过孔隙弹性以及更多的岩石损坏和断裂位移引起更不平衡的压力场。发掘和排水阶段均引起与岩石基质脆弱损伤和/或天然裂缝的摩擦滑动有关的地震事件(图6)。

数字。5.开挖期间和之后的岩石骨折的压力,压力和损伤演变。

图像的2 by-2网格显示了断裂岩石中地震事件的空间分布,左图显示在挖掘过程中显示岩石和右图像在排水期间显示它们。
数字。6.在挖掘过程(左图)和排水(右图)阶段,裂缝岩石中的地震事件的空间分布。

除了上述的水力力学模型外,我们还开发了一个完全耦合的热水力学模型,以模拟长期水流和热量产生期间地热储层破裂的性能(参考。3)。

参考

  1. Q. Lei等人,“对液体注射诱导的裂缝激活,损伤生长,地震性发生和自然断裂岩石的连通性变化”,“建模”,国际岩石力学与采矿科学杂志, 不。138,卷。104598,2021。
  2. Q. Lei等人,“使用离散断裂网络对断裂岩石的地质力学和水文行为进行建模”,计算机和岩土技术, 不。85,第151-176页,2017年。
  3. Z. Sun等人,“热扰动和原位应力对裂缝地热储层中传热的综合作用”,岩石力学和岩石工程, 不。54,第2165–2181页,2021年。
  4. C. Zhao等人,“水力机械耦合在发掘诱导的损伤传播,裂缝变形和微吸毒性演变中的作用”工程地质, 不。289,卷。106169,2021。

关于作者

青年雷博士是瑞士EthZürich的地球科学系讲师兼高级科学家。他拥有中国汤吉大学(Tongji University)的土木工程中的BSC(2009)和A MSC(2012),以及英国伦敦帝国学院的Rock Mechanics博士(2016)。Lei博士是国际岩石力学和岩石工程学会(ISRM)的Rocha奖章,以及美国摇滚力学协会(ARMA)的NGW Cook PhD论文奖和摇滚力学研究奖。Lei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,诱导的地震性和斜率稳定性。他是ISRM热 - 氢化机械化学过程的ISRM秘书长,ARMA未来的领导者,也是ARMA地下存储与利用技术委员会的创始成员。

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Rhinoceros是TLM,Inc。的注册商标。DBARobert McNeel&Associates Corporation。

MATLAB是Mathworks,Inc。的注册商标。


评论(1)

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马修·贝克尔(Matthew Becker)
马修·贝克尔(Matthew Becker)
2021年10月29日

这是很棒的工作。模型文件可用吗?

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