岩石内部水力压裂破坏失效的仿真分析

1背景与目的

我们知道cohesive单元常常被用来模拟裂纹损伤,在岩石内部压裂的仿真中同样如此,通过cohesive单元嵌入、定义失效准则可以很好地再现裂纹损伤现象,相对于试验,这是仿真无与伦比的巨大优势。本文通过ABAQUS分析技术,应用cohesive单元来模拟水力裂缝的现象。



2问题描述

模型为水力压裂施工的目标地层,地层深度为2000m,压裂目标层厚度10m,上下层厚度均为20m,岩土层参数和地应力条件见表1所示,施工采用的压裂液黏度为1,施工为定排量施工,注液峰值为0.6m3/min,注入总时长300s,其中前30s为注液提速阶段,注入点位于目标层中点。

表1 岩土层材料参数及相应条件

地层单位上下盖层目标层
弹性模量GPa1520
泊松比/0.30.25
渗透系数m/s1e-81e-7
滤失系数m2.s/kg1e-151e-13
抗拉强度MPa42
断裂能密度N/m80004000
垂直地应力MPa3232
水平最大地应力MPa3030
水平最小地应力MPa3025
孔隙压力MPa2020



3模型

模型满足对称条件,因此建立一半的模型,并将对称面中点作为注入点。对称面采用对称约束,且为不透水边界,建立的有限元模型如图1所示。

岩石内部水力压裂破坏失效仿真分析的图1

图1网格模型


4有限元分析

关于cohesive单元的嵌入,需要注意的是本次案例是在abaqus2017版本上进行的,若是abaqus2016及以下版本则并没有提供insert cohesive seams功能。在这里,需要打开命令mesh→edit,将类型修改为select from interior entities,按照软件提示信息选择模型中间内部剖面,单击done完成零厚度的cohesive孔压单元,在信息窗口中提示插入单元和新建集合的情况,如图2所示。至于其他接触约束及边界条件的建立参考上传附件内容,这里不再详细说明。

岩石内部水力压裂破坏失效仿真分析的图2

图2嵌入cohesive单元命令



5结果

5.1损伤单元动态分布云图

11111.gif



6结论

应用cohesive单元可以很好地模拟岩土类内部单元损伤破坏的现象,相对于试验,其简单的仿真操作步骤极大降低了时间、经济成本,能够知道岩土内部破坏的参数优化及损伤预测。

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