离散元水力压裂一体化数值

张丰收（1982.08），湖南涟源人，2004年本科，2007年硕士毕业于同济大学，2012年博士毕业于美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），同年加入Itasca美国公司工作至2016年。主要从事能源相关的技术咨询服务。2016年底加入同济大学土木工程学院地下建筑与工程系任教授。主要研究方向是裂隙岩体的水-固-热-化多场耦合及其在能源开采等深地工程中的应用，先后为各大跨国石油公司提供过相关的科研和咨询服务。迄今为止共发表期刊和会议论文80余篇，现担任SPE Journal副主编，以及靠前岩石力学协会石油地质力学和裂隙岩体THMC多场耦合两个专业专委会委员。

序

前言

第1章 绪论

 1.1 很好规油气资源开发现状与水力压裂技术

 1.2 水力裂缝扩展研究现状

 1.2.1 水力裂缝起裂和扩展

 1.2.2 射孔和近井筒地带裂缝扩展

 1.2.3 分段多簇压裂多裂缝扩展

 1.3 章节内容安排

第2章 基于离散元的水力压裂数值模拟方法原理

 2.1 颗粒离散元数值模型

 2.1.1 颗粒离散元基本理论

 2.1.2 二维颗粒离散元模型流固耦合算法

 2.2 三维离散格子数值模型

 2.2.1 三维离散格子方法基本理论

 2.2.2 三维离散格子模型流固耦合算法

 2.3 三维块体离散元数值模型

 2.3.1 三维块体离散元法基本理论

 2.3.2 三维块体离散元模型流固耦合算法

第3章 岩石内在非均质性与颗粒尺寸对水力压裂的影响

 3.1 平面应变应力状态下水力压裂理论模型

 3.1.1 裂缝扩展控制区域

 3.1.2 无滤失条件下KGD模型近似解

 3.2 基于颗粒离散元的无滤失水力压裂模型

 3.2.1 黏性控制机制

 3.2.2 断裂韧性控制机制

 3.3 岩石内在非均质性对水力压裂的影响

 3.4 颗粒尺寸对水力压裂的影响

 3.5 本章小结

第4章 不同射孔模型中水力裂缝起裂和近井筒扩展

 4.1 三维离散格子建模

 4.2 数值模拟结果

 4.2.1 螺旋射孔模型

 4.2.2 定向射孔模型

 4.2.3 Tristim射孔模型

 4.3 结果分析与讨论

 4.3.1 不同射孔模型特征

 4.3.2 断裂韧度控制机制验证

 4.3.3 与实验结果对比

 4.4 本章小结

第5章 水力裂缝与天然裂缝的相互作用研究

 5.1 离散-连续混合数值方法

 5.1.1 模型描述

 5.1.2 模型验证

 5.2 水力裂缝与天然裂缝正交穿越

 5.2.1 应力比和天然裂缝摩擦性质的影响

 5.2.2 强度比的影响

 5.2.3 刚度比的影响

 5.3 水力裂缝与天然裂缝非正交穿越

 5.4 水力裂缝与多条天然裂缝相互作用

 5.5 本章小结

第6章 水力压裂后支撑剂嵌入与裂缝导流性能研究

 6.1 模型设置

 6.1.1 DEM-CFD耦合模型

 6.1.2 模型参数标定

 6.2 参数研究

 6.2.1 裂缝闭合后的裂缝导流能力

 6.2.2 页岩水化对支撑剂嵌入的影响

 6.2.3 支撑剂尺寸的影响

 6.3 本章小结

第7章 水力压裂后长期注采作用下地应力演化规律

 7.1 水力压裂裂缝造缝和开采的应力理论模型

 7.1.1 人工裂缝诱导应力理论模型

 7.1.2 开采诱导应力流固耦合理论模型

 7.2 FLAC3D有限差分理论模型

 7.2.1 FLAC3D有限差分离散算法

 7.2.2 FLAC3D流固耦合算法

 7.3 基于FLAC3D的长期注采作用下三维地应力演化模型

 7.3.1 基于测井深度插值的三维地形模型

 7.3.2 三层地质力学几何模型的建立

 7.3.3 模型参数的选取

 7.3.4 注采历史的拟合

 7.4 地应力演化计算结果和讨论

 7.4.1 应力重分布结果

 7.4.2 地应力结果讨论

 7.5 本章小结

第8章 基于地质力学和微地震全耦合模型的重复压裂

 8.1 重复压裂研究综述

 8.23 DEC裂缝扩展模型的建立

 8.2.1 几何模型的建立

 8.2.2 初次压裂和孔压衰竭模拟

 8.2.3 重复压裂模拟

 8.33 DEC裂缝扩展模型的结果与讨论

 8.4 本章小结

第9章 致密油极限射孔优化设计研究

 9.1 极限射孔数值模型

 9.1.1 华6-8井第11段介绍

 9.1.2 极限射孔压裂数值模型建立

 9.1.3 极限射孔压裂数值模拟结果

 9.1.4 极限射孔压裂数值模型验证

 9.2 极限射孔多簇裂缝起裂与扩展规律

 9.2.1 注入排量

 9.2.2 簇间距

 9.2.3 单段簇数

 9.2.4 簇间应力差

 9.3 本章小结

第10章 裂隙岩体的超临界二氧化碳压裂

 10.1 基于离散元的超临界二氧化碳压裂算法

 10.1.1 断裂韧性控制区域简化算法

 10.1.2 与传统压裂算法比较

 10.1.3 简化算法验证

 10.2 完整岩石中的超临界二氧化碳压裂

 10.3 裂隙岩体中的超临界二氧化碳压裂

 10.4 本章小结

第11章 离散材料中的水力压裂

 11.1 模拟背景与试验介绍

 11.2 离散材料中水力压裂数值模型研究

 11.2.1 颗粒材料中流体注入模型设置

 11.2.2 注入速率的影响

 11.2.3 无量纲时间因子

 11.2.4 能量分析

 11.3 本章小结

第12章 水力压裂与诱发地震

 12.1 水力压裂引起诱发地震综述

 12.2 压裂诱发地震与断层滑移及套管变形的关系

 12.2.1 套管变形由断层滑移引起的证据

 12.2.2 由微地震数据确定滑移断层的位置

 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

 12.3.13 DEC微地震震级算法

 12.3.23 DEC几何模型的建立

 12.3.3 模型参数的选取

 12.4 模拟结果与讨论

 12.4.1 断层滑移及诱发地震模拟结果

 12.4.2 施工参数分析

 12.5 本章小结

参考文献

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，目前数值仿真是其最重要的研究手段之一。本书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。 本书可以作为研究复杂裂隙岩体水力压裂理论的参考用书，也可供具备一定学科知识基础、从事深地岩石力学相关研究工作的技术人员和相关专业的研究生参考。