骨折介质完全耦合的流体力学建模

今天，Guest Blogger博士Qinghua Lei Joins Joins讨论了一种在骨折介质中建模完全耦合的流体机械过程的新方法。

了解裂缝地质介质中固体变形和流体流动之间的耦合是解决地球科学和岩土工程中许多核心问题的核心重要性，如地下挖掘，碳氢化合物提取，碳封存，地热产量和废物处理。该博客文章描述了一种基于COMSOLMultibySics®软件在骨折介质中建模完全耦合的流体机械过程的新方法。188金宝搏优惠

为什么使用COM188金宝搏优惠SOLMultiPhysics®进行水力学建模？

一般来说，在骨折介质中建模的耦合流体力学过程存在两个主要挑战。一个是嵌入着含有许多自然骨折的地质介质的不连续性的代表性，这普遍存在于许多不同的长度尺度，并且通常占据系统的批量行为（参考。2）。其次是计算涉及直接耦合（即，固体和流体场之间的相互作用）和间接耦合（即岩石/骨折性能的相互作用）的水质力学耦合机构。

在过去几年中，已经开发出大量的商业软件包和开源研究代码，其旨在解决这些挑战。然而，其中许多必须使用不同的求解器来计算流体和实体方程，使得必须通过额外的处理步骤来实现耦合，这既不方便也不高效。另外，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 Mult188金宝搏优惠iphysics的使用是通过其特殊能力的推动：

1. 同时求解多体性方程以实现直接联轴器
2. 定义模型参数作为其他字段变量的函数，以实现间接耦合
3. 明确地代表离散的骨折和解决它们内部的物理过程（例如，断裂流动和骨折变形）

下面，我们阐明了COMSOL多发性的数字模型的程序，以进行裂缝介质的完全耦合的流体机械建模，其次是一些模拟例子。188金宝搏优惠

模型程序

三个主要步骤涉及在COMSOL Multiphysics中进行数值模拟。188金宝搏优惠

第1步：模型几何和网格的生成

首先，可以使用像AutoCAD®或rhinoceros®等CAD软件构建几何形式的离散断裂网络。然后将几何数据导出为可直接导入COMSOL Multiphysics的DXF™文件。188金宝搏优惠此步骤也可以在Matlab®中完成，以在规定的概率分布后生成合成骨折网络，并将它们导出为DXF™。

提示：您还可以使用离散骨折网络加载项来直接在COMSOL Multiphysics内直接在现有几何中创建随机骨折，如下所述188金宝搏优惠3D裂缝水库的例子。

在导入几何形状之后，我们使用三角形有限元（通过Delaunay Tessellation）的非结构化网来离散域，其中天然裂缝由嵌入在相邻的有限元（图1）之间的接合元件表示。

数字。图1是示出使用三角形有限元件的非结构化网格的模型离散化的示意图，其中天然裂缝由嵌入在相邻的有限元之间的关节元件表示。

第2步：模型设置和材料属性的定义，耦合参数和边界条件

我们使用坚实的力学和达西的法律COMSOL Multiph188金宝搏优惠ysics中的界面，以模拟骨折介质中的流体机械过程。我们激活了Poroelasticity.界面实现固体和流体方程之间的直接耦合。我们为岩石矩阵和骨折定义材料特性和本构体方程。一些岩石/裂缝性能，例如孔隙率，贮存和渗透性，被定义为局部应力/压力状态以实现间接耦合的函数。我们还定义了机械和液压边界条件。

第3步：解决解决方案

我们在两个连续阶段运行模型。在第一阶段，系统达到给定的初始平衡（通过斜坡负载）原位压力和压力条件。然后，在第二阶段，我们模拟系统受到工程活动的响应，例如流体注入或地下挖掘。

仿真例子

实施例1：裂缝岩石中的流体注射

我们应用模型来模拟裂缝岩石受流体注入的流体力学行为（参考。1）。该模型可以在完整的岩石中逼真地捕获断裂多孔介质和脆性，破坏引起的损伤以及裂缝配置对流体机械过程的重要影响（图2）。该模型还允许我们在视觉上检查骨折岩石中损伤，应力和压力场的详细演变，进一步研究了腹腔弹性对系统中的新损伤传播的根本控制（图3）。基于仿真结果，我们还可以分析由完整岩石的完整岩石和/或摩擦滑动的脆性失效引起的诱导地震性的时空演变（图4）。

数字。2.流体注射过程中裂缝岩中的压力演化和损伤繁殖。

数字。3.检查（a）损坏的分布;（b）应力比（即，局部最大主要压力与地方最低限制的比例）;（c）在骨折岩石的局部区域中的流体压力（通过高度表达观察）。

数字。4.骨折岩石中诱导地震事件的空间分布和演变分别具有χ= 0.5和1.5的低和高断裂密度。

例2：骨折岩石的地下挖掘

该模型也可以应用于模拟裂缝岩石中的挖掘诱导的扰动以及所产生的瞬态流体力学行为（参考。4.）。我们捕获了挖掘导致的显着压力变化和扩散（时间T.= 0-0.1h）和随后的排水（时间T.= 0.1〜20小时）工艺，以及应力改变和损伤进化（图5）。我们通过执行对Biot系数的灵敏度分析来说明流体力学偶联的重要作用。结果表明，具有较高的Biot系数（或说，较强的耦合），挖掘趋于通过孔弹性以及更多岩石损伤和裂缝位移引起更不平坦的压力场。挖掘和排水阶段均诱导与岩石矩阵的脆性损伤相关的地震事件和/或摩擦滑动的自然骨折（图6）。

数字。5.在挖掘期间和后裂缝岩石的压力，应力和损伤演变。

数字。6.在挖掘（左侧面板）和排水（右侧面板）阶段的不同Biot系数α具有不同的Biot系数α的裂缝岩中地震事件的空间分布。

除了上述流体机械模型之外，我们还开发了一种完全耦合的热摩擦力学模型，以模拟长期水循环和热量生产过程中骨折地热储层的性能（参考。3.）。

参考

1. Q. Lei等，“模拟液体注射诱导的骨折活化，损伤生长，地震性发生和自然裂缝岩石的连接变化”，国际岩石力学与矿业科学杂志， 不。138，卷。104598,2021。
2. Q. Lei等人，“使用离散的骨折网络来建模耦合的骨质岩石的耦合地质力学和水文行为”，电脑和岩土科， 不。85，pp。151-176,2017。
3. Z. Sun等人，“热扰动和原位应力对骨折地热储层热传递的综合影响”，岩石力学与岩石工程， 不。54，pp。2165-2181,2021。
4. C. Zhao等，“水力机械耦合在挖掘诱导的损伤传播中的作用，骨折岩石中的裂缝变形和微震性演化”，工程地质学， 不。289，卷。106169,2021。

关于作者

清华雷博士是瑞士苏黎世地球科学系的讲师和高级科学家。他在英国伦敦帝国学院的同济大学，中国和博士学位，举办了博士（2009年）和硕士（2012年）和博士（2016年）。Lei博士是来自国际岩石力学和岩石工程（ISRM）的国际社会的Rocha奖牌的受援人员以及美国摇滚力学协会（ARMA）的NGW Cook Phd论文奖和岩石力学研究奖。雷博士的研究兴趣包括岩石力学，耦合过程，裂缝表征，多相流，地震波，诱导的地震性和坡度稳定性。他是ISRM秘书长，ISRM委员会在骨折岩石，ARMA未来领导人和ARMA地下储存与利用技术委员会的创始成员中。

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