三維裂隙岩體水力耦合多尺度分析相場模型研究

《三維裂隙岩體水力耦合多尺度分析相場模型研究》是依託同濟大學，由莊曉瑩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三維裂隙岩體水力耦合多尺度分析相場模型研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：莊曉瑩
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

如何有效控制和利用岩體在水力耦合作用下的裂隙擴展行為，是頁岩氣水力劈裂開採等地下能源開發中面臨的核心問題，是我國能源發展中迫切需要解決的關鍵技術。本項目擬發展、實現和驗證三維岩體裂隙擴展水力耦合多尺度分析數值模擬框架；建立顯式三維巨觀尺度斷裂面-多孔介質模型，模擬流體通過斷裂面之間的流動過程，以及裂隙在流-固相互作用下的擴展、分叉、貫通等力學行為；建立細觀尺度水力耦合模型，發展全新的水力耦合相場勢函式與控制方程。結合相場法（Phase field method）無需單獨描述裂紋面幾何形態、無需引入斷裂模式假定並自然得到材料破壞過程的優勢，建立細觀裂隙在巨觀水力邊界條件下的演化分析模型，研究滲透張量等材料參數提取理論與方法；並通過壓力梯度、滲流速度等一致性約束條件，建立連線宏細觀岩體裂隙擴展的物理準則。本項目將最終形成一套有效、準確和可行的岩體水力裂隙分析計算理論與方法。

結題摘要

如何有效控制和利用岩體在水力耦合作用下的裂隙擴展行為，是能源開發中面臨的核心問題，也是我國能源發展中迫切需要解決的關鍵技術。本項目發展、實現和驗證了三維岩體裂隙擴展水力耦合多尺度分析數值模擬框架；建立了顯式三維巨觀尺度“斷裂面-多孔介質”模型，模擬裂隙在流-固相互作用下的擴展、分叉、貫通等力學行為；建立細觀尺度水力耦合模型，發展全新的“水力耦合相場”模型計算分析方法。項目完成了：1. 提出水力耦合多尺度問題的非線性破壞計算方法； 2. 基於三維圖像掃描，完成了基於砂岩CT圖像的岩石的三維細觀幾何模型及有限元模型。 對試樣同時施加單軸或三軸壓縮邊界條件和穩態滲流邊界條件，並全程提取滲透係數和軸向應變在不同時刻的結果。3. 發展了用於模擬複雜裂縫模式的相場三維算法模型，包括裂縫擴展，分叉和接合。相場模型基於應變分解彈性能量，驅動相場的演變。 然後，數值模擬進行缺口半圓彎曲（NSCB）試驗和巴西劈裂試驗。 隨後，研究了具有多個梯形缺陷和二十個平行缺陷的岩石板中的裂縫接合。依託本項目已完成了三維動態水力裂紋擴展相場模型研究，該研究成果國際領先。同時，依託本項目發表了相關SCI論文6篇，公布程式1套，設計完成相似模型壓裂實驗裝置1套。