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离散元水力压裂一体化数值仿真
作者：张丰收 著
出版社：科学出版社
出版时间：2022-03-01
ISBN：9787030686947
定价：¥198.00
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内容简介
近年来，随着页岩气和干热岩等深地工程的兴起，关于裂隙岩体水力压裂问题的研究逐渐兴起。水力压裂裂缝扩展是一个跨长度和时间尺度的复杂科学问题，由于实验方法的局限性，目前数值仿真是其*重要的研究手段之一。《离散元水力压裂一体化数值仿真》将系统地介绍作者近年来基于离散格子法、颗粒离散元法、有限元法、块体离散元法和有限差分法综合建立的深部裂隙岩体水力压裂的多尺度数值模拟体系，内容包括近井筒区域水力压裂裂缝的三维非平面起裂和扩展、射孔-井眼-岩层跨尺度裂缝扩展、水力裂缝和天然裂缝相互作用、结合微地震震源机制的裂缝扩展和复杂缝网形成机理、水力裂缝闭合和长期蠕变等页岩水力压裂中挑战性难题的数值分析。
作者简介
暂缺《离散元水力压裂一体化数值仿真》作者简介
目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 非常规油气资源开发现状与水力压裂技术 3
1.2 水力裂缝扩展研究现状 4
1.2.1 水力裂缝起裂和扩展 4
1.2.2 射孔和近井筒地带裂缝扩展 7
1.2.3 分段多簇压裂多裂缝扩展 8
1.3 章节内容安排 9
第2章 基于离散元的水力压裂数值模拟方法原理 11
2.1 颗粒离散元数值模型 13
2.1.1 颗粒离散元基本理论 13
2.1.2 二维颗粒离散元模型流固耦合算法19
2.2 三维离散格子数值模型 22
2.2.1 三维离散格子方法基本理论 22
2.2.2 三维离散格子模型流固耦合算法 23
2.3 三维块体离散元数值模型 24
2.3.1 三维块体离散元法基本理论 24
2.3.2 三维块体离散元模型流固耦合算法 27
第3章 岩石内在非均质性与颗粒尺寸对水力压裂的影响 31
3.1 平面应变应力状态下水力压裂理论模型 33
3.1.1 裂缝扩展控制区域 33
3.1.2 无滤失条件下KGD模型近似解 34
3.2 基于颗粒离散元的无滤失水力压裂模型 35
3.2.1 黏性控制机制 36
3.2.2 断裂韧性控制机制 38
3.3 岩石内在非均质性对水力压裂的影响40
3.4 颗粒尺寸对水力压裂的影响 43
3.5 本章小结 46
第4章 不同射孔模型中水力裂缝起裂和近井筒扩展 49
4.1 三维离散格子建模51
4.2 数值模拟结果 52
4.2.1 螺旋射孔模型 52
4.2.2 定向射孔模型 57
4.2.3 Tristim射孔模型 61
4.3 结果分析与讨论 64
4.3.1 不同射孔模型特征 64
4.3.2 断裂韧度控制机制验证 65
4.3.3 与实验结果对比 66
4.4 本章小结 67
第5章 水力裂缝与天然裂缝的相互作用研究 69
5.1 离散-连续混合数值方法 71
5.1.1 模型描述 71
5.1.2 模型验证 72
5.2 水力裂缝与天然裂缝正交穿越 75
5.2.1 应力比和天然裂缝摩擦性质的影响 75
5.2.2 强度比的影响 78
5.2.3 刚度比的影响 79
5.3 水力裂缝与天然裂缝非正交穿越 81
5.4 水力裂缝与多条天然裂缝相互作用 83
5.5 本章小结 84
第6章 水力压裂后支撑剂嵌入与裂缝导流性能研究87
6.1 模型设置 89
6.1.1 DEM-CFD耦合模型 89
6.1.2 模型参数标定 90
6.2 参数研究 92
6.2.1 裂缝闭合后的裂缝导流能力 92
6.2.2 页岩水化对支撑剂嵌入的影响 93
6.2.3 支撑剂尺寸的影响 96
6.3 本章小结 97
第7章 水力压裂后长期注采作用下地应力演化规律 99
7.1 水力压裂裂缝造缝和开采的应力理论模型 102
7.1.1 人工裂缝诱导应力理论模型 102
7.1.2 开采诱导应力流固耦合理论模型 103
7.2 FLAC3D有限差分理论模型 105
7.2.1 FLAC3D有限差分离散算法 105
7.2.2 FLAC3D流固耦合算法 105
7.3 基于FLAC3D的长期注采作用下三维地应力演化模型 106
7.3.1 基于测井深度插值的三维地形模型 106
7.3.2 三层地质力学几何模型的建立 107
7.3.3 模型参数的选取 108
7.3.4 注采历史的拟合 108
7.4 地应力演化计算结果和讨论 109
7.4.1 应力重分布结果 109
7.4.2 地应力结果讨论 111
7.5 本章小结 111
第8章 基于地质力学和微地震全耦合模型的重复压裂 113
8.1 重复压裂研究综述 115
8.2 3DEC裂缝扩展模型的建立 118
8.2.1 几何模型的建立 118
8.2.2 初次压裂和孔压衰竭模拟 120
8.2.3 重复压裂模拟 122
8.3 3DEC裂缝扩展模型的结果与讨论 123
8.4 本章小结 130
第9章 致密油极限射孔优化设计研究 133
9.1 极限射孔数值模型 135
9.1.1 华6-8井第11段介绍 135
9.1.2 极限射孔压裂数值模型建立 137
9.1.3 极限射孔压裂数值模拟结果 138
9.1.4 极限射孔压裂数值模型验证 139
9.2 极限射孔多簇裂缝起裂与扩展规律 140
9.2.1 注入排量 140
9.2.2 簇间距 142
9.2.3 单段簇数 143
9.2.4 簇间应力差 145
9.3 本章小结 148
第10章 裂隙岩体的超临界二氧化碳压裂 149
10.1 基于离散元的超临界二氧化碳压裂算法 151
10.1.1 断裂韧性控制区域简化算法 151
10.1.2 与传统压裂算法比较 152
10.1.3 简化算法验证 152
10.2 完整岩石中的超临界二氧化碳压裂 153
10.3 裂隙岩体中的超临界二氧化碳压裂 157
10.4 本章小结 159
第11章 离散材料中的水力压裂 161
11.1 模拟背景与试验介绍 163
11.2 离散材料中水力压裂数值模型研究 165
11.2.1 颗粒材料中流体注入模型设置 165
11.2.2 注入速率的影响 167
11.2.3 无量纲时间因子 170
11.2.4 能量分析 172
11.3 本章小结 174
第12章 水力压裂与诱发地震 175
12.1 水力压裂引起诱发地震综述 177
12.2 压裂诱发地震与断层滑移及套管变形的关系 179
12.2.1 套管变形由断层滑移引起的证据 180
12.2.2 由微地震数据确定滑移断层的位置 183
12.3 流体注入引起断层滑移及诱发地震的三维渗流-应力场全耦合模型 184
12.3.1 3DEC微地震震级算法 184
12.3.2 3DEC几何模型的建立 185
12.3.3 模型参数的选取 185
12.4 模拟结果与讨论 190
12.4.1 断层滑移及诱发地震模拟结果 190
12.4.2 施工参数分析 192
12.5 本章小结 195
参考文献 197
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 非常规油气资源开发现状与水力压裂技术 3
1.2 水力裂缝扩展研究现状 4
1.2.1 水力裂缝起裂和扩展 4
1.2.2 射孔和近井筒地带裂缝扩展 7
1.2.3 分段多簇压裂多裂缝扩展 8
1.3 章节内容安排 9
第2章 基于离散元的水力压裂数值模拟方法原理 11
2.1 颗粒离散元数值模型 13
2.1.1 颗粒离散元基本理论 13
2.1.2 二维颗粒离散元模型流固耦合算法19
2.2 三维离散格子数值模型 22
2.2.1 三维离散格子方法基本理论 22
2.2.2 三维离散格子模型流固耦合算法 23
2.3 三维块体离散元数值模型 24
2.3.1 三维块体离散元法基本理论 24
2.3.2 三维块体离散元模型流固耦合算法 27
第3章 岩石内在非均质性与颗粒尺寸对水力压裂的影响 31
3.1 平面应变应力状态下水力压裂理论模型 33
3.1.1 裂缝扩展控制区域 33
3.1.2 无滤失条件下KGD模型近似解 34
3.2 基于颗粒离散元的无滤失水力压裂模型 35
3.2.1 黏性控制机制 36
3.2.2 断裂韧性控制机制 38
3.3 岩石内在非均质性对水力压裂的影响40
3.4 颗粒尺寸对水力压裂的影响 43
3.5 本章小结 46
第4章 不同射孔模型中水力裂缝起裂和近井筒扩展 49
4.1 三维离散格子建模51
4.2 数值模拟结果 52
4.2.1 螺旋射孔模型 52
4.2.2 定向射孔模型 57
4.2.3 Tristim射孔模型 61
4.3 结果分析与讨论 64
4.3.1 不同射孔模型特征 64
4.3.2 断裂韧度控制机制验证 65
4.3.3 与实验结果对比 66
4.4 本章小结 67
第5章 水力裂缝与天然裂缝的相互作用研究 69
5.1 离散-连续混合数值方法 71
5.1.1 模型描述 71
5.1.2 模型验证 72
5.2 水力裂缝与天然裂缝正交穿越 75
5.2.1 应力比和天然裂缝摩擦性质的影响 75
5.2.2 强度比的影响 78
5.2.3 刚度比的影响 79
5.3 水力裂缝与天然裂缝非正交穿越 81
5.4 水力裂缝与多条天然裂缝相互作用 83
5.5 本章小结 84
第6章 水力压裂后支撑剂嵌入与裂缝导流性能研究87
6.1 模型设置 89
6.1.1 DEM-CFD耦合模型 89
6.1.2 模型参数标定 90
6.2 参数研究 92
6.2.1 裂缝闭合后的裂缝导流能力 92
6.2.2 页岩水化对支撑剂嵌入的影响 93
6.2.3 支撑剂尺寸的影响 96
6.3 本章小结 97
第7章 水力压裂后长期注采作用下地应力演化规律 99
7.1 水力压裂裂缝造缝和开采的应力理论模型 102
7.1.1 人工裂缝诱导应力理论模型 102
7.1.2 开采诱导应力流固耦合理论模型 103
7.2 FLAC3D有限差分理论模型 105
7.2.1 FLAC3D有限差分离散算法 105
7.2.2 FLAC3D流固耦合算法 105
7.3 基于FLAC3D的长期注采作用下三维地应力演化模型 106
7.3.1 基于测井深度插值的三维地形模型 106
7.3.2 三层地质力学几何模型的建立 107
7.3.3 模型参数的选取 108
7.3.4 注采历史的拟合 108
7.4 地应力演化计算结果和讨论 109
7.4.1 应力重分布结果 109
7.4.2 地应力结果讨论 111
7.5 本章小结 111
第8章 基于地质力学和微地震全耦合模型的重复压裂 113
8.1 重复压裂研究综述 115
8.2 3DEC裂缝扩展模型的建立 118
8.2.1 几何模型的建立 118
8.2.2 初次压裂和孔压衰竭模拟 120
8.2.3 重复压裂模拟 122
8.3 3DEC裂缝扩展模型的结果与讨论 123
8.4 本章小结 130
第9章 致密油极限射孔优化设计研究 133
9.1 极限射孔数值模型 135
9.1.1 华6-8井第11段介绍 135
9.1.2 极限射孔压裂数值模型建立 137
9.1.3 极限射孔压裂数值模拟结果 138
9.1.4 极限射孔压裂数值模型验证 139
9.2 极限射孔多簇裂缝起裂与扩展规律 140
9.2.1 注入排量 140
9.2.2 簇间距 142
9.2.3 单段簇数 143
9.2.4 簇间应力差 145
9.3 本章小结 148
第10章 裂隙岩体的超临界二氧化碳压裂 149
10.1 基于离散元的超临界二氧化碳压裂算法 151
10.1.1 断裂韧性控制区域简化算法 151
10.1.2 与传统压裂算法比较 152
10.1.3 简化算法验证 152
10.2 完整岩石中的超临界二氧化碳压裂 153
10.3 裂隙岩体中的超临界二氧化碳压裂 157
10.4 本章小结 159
第11章 离散材料中的水力压裂 161
11.1 模拟背景与试验介绍 163
11.2 离散材料中水力压裂数值模型研究 165
11.2.1 颗粒材料中流体注入模型设置 165
11.2.2 注入速率的影响 167
11.2.3 无量纲时间因子 170
11.2.4 能量分析 172
11.3 本章小结 174
第12章 水力压裂与诱发地震 175
12.1 水力压裂引起诱发地震综述 177
12.2 压裂诱发地震与断层滑移及套管变形的关系 179
12.2.1 套管变形由断层滑移引起的证据 180
12.2.2 由微地震数据确定滑移断层的位置 183
12.3 流体注入引起断层滑移及诱发地震的三维渗流-应力场全耦合模型 184
12.3.1 3DEC微地震震级算法 184
12.3.2 3DEC几何模型的建立 185
12.3.3 模型参数的选取 185
12.4 模拟结果与讨论 190
12.4.1 断层滑移及诱发地震模拟结果 190
12.4.2 施工参数分析 192
12.5 本章小结 195
参考文献 197
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