《基於萬能格線及相場的水力壓裂多尺度數值模擬方法》是依託上海交通大學，由沈泳星擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於萬能格線及相場的水力壓裂多尺度數值模擬方法
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈泳星
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
能源短缺制約著我國的經濟發展。作為儲量較大的能源，頁岩氣正引起國家的高度重視。水力壓裂是開採頁岩氣的核心技術。由於尺度大且不方便直接觀測，相關實驗亦相當昂貴，利用計算模擬預測壓裂過程成為工藝設計的重要環節。然而，目前主流的計算方法―位移間斷法、傳統及擴展有限元法和離散元法―各有其局限性，難以推廣到多裂縫及岩土不均勻的情況。本項目將在申請人相關工作基礎上，開發出針對頁岩受水壓形成多裂縫的多尺度有限元計算方法，用以指導水力壓裂的實踐。具體計畫為利用萬能格線法開發針對裂縫分叉及與天然裂縫交叉的有限元方法，同時使用相場方法作為判斷裂縫分叉的準則。考慮到相場方法的成本，本項目計畫把整體的計算分為兩個尺度，通過對裂縫尖端附近區域的計算（小尺度）得出裂縫擴展及分叉的規律，總結成資料庫並套用到大尺度計算中，模擬整個壓裂過程。其中大尺度部分調試後將實現到有限元商業軟體中，為科研及產業同行提供有用的工具。
結題摘要
能源短缺制約著我國的經濟發展。作為儲量較大的能源，頁岩油氣的開採技術已引起國家的高度重視。水力壓裂是開採頁岩氣的核心技術。由於尺度大且不方便直接觀測，相關實驗亦相當昂貴，利用計算模擬預測壓裂過程成為工藝設計的重要環節。本項目旨在發展相關的計算模擬方法。針對頁岩受水壓形成多裂縫的過程，本項目提出的多尺度有限元計算方法具體分為微觀和巨觀兩個尺度：在微觀尺度，採用斷裂相場法獲得裂縫擴展的規律；在巨觀尺度，採用萬能格線等方法為演化中的裂縫快速生成匹配格線。結合申請人的工作基礎，即可模擬二維及三維壓裂過程（三維限於平面裂縫）的水力壓裂流固耦合問題。 斷裂相場方面，項目執行期間取得的成果有：(1)通過均勻化方法得出統一的含拉壓分解的本構關係及裂縫擴展的規律；(2)從圖形加速器和格線自適應劃分兩個方面提高斷裂相場法的計算效率；(3)借鑑圖像識別的手段識別裂紋路徑。 萬能格線等巨觀方法方面，項目執行期間取得的成果有：(1)提出了克服均勻和非均勻材料裂尖奇異性的映射有限元法和映射位移不連續法，均達到最優收斂率；(2)基於新的材料變分場推導了無需引入虛裂紋的彎裂紋應力強度因子計算格式；(3)發展了為二、三維分叉裂紋問題快速生成匹配格線的萬能格線法，每當裂縫有所更新時，只需要微調少許結點位置即可生成匹配的格線。 受本項目資助共發表SCI論文5篇，其中包括計算力學頂級期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering和Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering各2篇；EI論文2篇；會議論文2篇。
