水力压裂缝网三维多尺度扩展的自适应算法

The complex spatial hydraulic fracture network in hydraulic fracturing is the pivotal investigation subject of new energy (i.e. coal gas, tight gas, and shale gas), and the numerical simulation of multiscale propagation behavior of fracture network is an effective approach for understanding the mechanism to control it. In numerical methods, the state of meshing is the main factor affecting the fractures propagation in multiscale. The applicant has established the adaptive algorithm of 1D and 2D finite element and finite element method of lines for structural eigenproblems and hydraulic fracturing problems, in which the error estimation method and adaptive mesh refinement method are effective and can be serving for proposing the innovative adaptive algorithm for 3D multiscale propagation of fractures. This project will develop the numerical model of 3D multiscale natural fractures based on the discrete fracture network model, investigate the 3D propagation and fluid flow distribution of hydraulic fractures and natural fractures, propose the adaptive finite element–discrete element algorithm for 3D multiscale arbitrary propagation of fractures in solid and finite volume algorithm for fluid flow in pore-fracture media, and form the computation technique and scheme considering fluid-solid-fracture coupling. This project will establish the high-precision adaptive mesh refinement algorithm for 3D multiscale arbitrary propagation of fractures and apply it to simulate the 3D complex multiscale propagation in hydraulic fracturing, and hence possesses theoretical and practical significances.

水力压裂形成空间复杂缝网是矿业新能源（煤层气、致密气、页岩气）开发的重要研究课题，数值模拟缝网多尺度扩展行为是理解其工作机理并进行控制的有效手段，计算中网格划分的精细程度是影响裂缝在不同尺度上扩展的主要因素。申请人已经建立了一维、二维有限元和有限元线法结构特征值问题和水力压裂问题的自适应算法，其中误差估计方法和网格自适应细分方法均显示出很好的求解效力，使得发展裂缝三维多尺度扩展的新型自适应算法成为可能。本项目旨在发展基于离散裂缝网络模型的三维多尺度随机天然裂缝数值模型，处理水压裂缝与天然裂缝三维扩展和流量分配，建立固体裂缝三维多尺度任意扩展的自适应有限元–离散元算法和流体孔隙–裂隙流动的有限体积算法，形成流–固–断裂耦合的求解方案和技术路线。本项目将建立裂缝三维多尺度任意扩展的高精度网格自适应数值算法，并应用于水力压裂复杂缝网三维多尺度扩展的高性能模拟，具有理论意义和实用价值。

水力压裂形成空间复杂缝网是矿业新能源（煤层气、致密气、页岩气）开发的重要研究课题，数值模拟缝网多尺度扩展行为是理解其工作机理并进行控制的有效手段，计算中网格划分的精细程度是影响裂缝在不同尺度上扩展的主要因素。本项目在基于离散裂缝网络模型的三维多尺度随机天然裂缝数值模型、水压裂缝与天然裂缝三维扩展和流量分配、固体裂缝三维多尺度任意扩展的自适应有限元–离散元算法、流体孔隙–裂隙流动的有限体积算法等研究内容方面取得了研究进展，形成了流–固–断裂耦合的求解方案和技术路线；在梁壳特征值问题自适应有限元法、岩体多场耦合损伤断裂自适应分析、非均质岩体非稳定水力裂缝与应力扰动分析等方面取得了重要研究成果，具有理论意义和实用价值。本项目在矿山岩体力学与计算力学学科著名期刊RMRE、CG、IJRMMS等发表SCI论文30篇、EI论文7篇，出版英文专著教材4部，获得软件著作权22项。项目研究团队成员晋升高级职称1人、获得博士生指导教师资格1人，获得度中国煤炭工业协会科学技术奖、中国岩石力学与工程学会岩石力学教学成果奖、中国科技部中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000奖、校级优秀毕业论文指导教师奖等7项。