基于离散单元法和计算流体力学耦合的多尺度和多相态水压致裂机理研究

Hydraulic fracturing is an important technology for deep unconventional energy exploitation. Hydraulic fracturing technology has been commercially exploited domestically and abroad, but the mechanical model of hydraulic fracturing mechanism, which is generally accepted and widely used, is still lacking in academia. This project proposes to couple the discrete element method (DEM) and the computational fluid dynamics (CFD) method in the process of hydraulic fracturing of rock mass to describe the seepage flow subject to stress coupling process. It will establish a multiscale phase coupling of the discrete element method and computational fluid dynamics of fluid-solid coupling simulation method. Through the study of this project, it is hoped to reveal the rock mass splitting mode and evolution mechanism under the action of fluid-solid coupling caused by hydraulic fracturing, and establish the particle contact cementation model of rock mass fracture mode under the condition of hydraulic fracturing. Through the in-house rock mass mechanical properties measurement, in light of the macro mechanical properties of rock mass the calibration method of micro mechanical contact model will be proposed based on the discrete element method. Then the computational fluid dynamics will be coupled with the discrete element method to investigate the seepage failure of rock mass subject to the complex stressing mechanism. The research from this project will provide a solid theoretical basis for the optimization of hydraulic fracturing process and safe production, and have a very important guiding significance for the safe and efficient exploitation of shale gas energy.

水压致裂开采页岩气是深部非常规能源开采的重要技术之一。水压致裂技术已在国内外实现商业化开采，但当前学术界还缺乏普遍接受并广泛采用的水压致裂机理的力学模型。本课题拟通过离散单元法和计算流体力学耦合的方法研究岩体水压致裂过程中的渗流应力耦合过程，开发能够准确描述颗粒与流体耦合作用的拖拽力模型，建立多尺度多相态耦合的离散单元法和计算流体力学流固耦合计算模拟方法。通过本项目的研究，旨在揭示流固耦合作用下水压致裂的岩体劈裂模式和演化机制，建立水压致裂条件下岩体破裂模式的颗粒接触胶结模型；通过岩体物理力学特性室内试验，提出根据宏观岩体力学性能的微观力学接触参数标定方法，在基于离散单元法的颗粒接触模型基础上，发展与计算流体力学耦合的多相态模拟方法，深刻揭示岩体渗流-应力-损伤破坏的复杂机理。该项目研究成果将为水压致裂过程优化和安全生产提供坚实的理论依据，对安全高效开采页岩气能源，具有十分重要的指导意义。

深部能源开采是当前制约世界各国能源发展的关键问题，也是人类社会解决能源短缺危机的一个重要手段。随着能源需求量的日益增加和实现全球节能减排的共同使命，非常规能源的勘探开始被广泛重视并付诸行动，相关能源开采技术也在不断地得到提升，其中水压致裂是必不可少的技术之一。岩体水压致裂过程实质上是一个典型的渗流-应力耦合过程，当前学术界还缺乏普遍接受并广泛应用的水压致裂破坏机理的力学模型。岩体的渗透特性和水力耦合作用是近年研究的前沿问题，随着人类工程活动范围的扩展和规模的扩大，对通过水压致裂获取非常规能源这一国家重大战略需求显得尤为紧迫。..研究内容： 开展了岩体物理力学特性室内试验与微观接触粘结模型研究、岩体水压致裂过程的渗流-应力-损伤破裂模型及模拟方法、基于DEM-CFD方法的岩体水压致裂破坏机理与数值模拟研究。解决了岩体水压致裂过程中渗流-应力-损伤破裂模型及计算模拟方法、基于DEM-CFD方法的岩体水压致裂破坏机理与数值模拟的关键科学问题。..重要研究结果包括：掌握了岩体的物理力学特性，分析岩体三轴压缩、巴西劈裂、直剪试验破坏形态，建立能够准确描述岩石力学特性与行为的离散元细观接触粘结模型；掌握了水力压裂条件下岩体内部裂纹萌生、裂缝扩展规律，揭示岩体水力压裂过程中渗流-应力-损伤破坏机制，建立基于离散单元法和计算流体动力学耦合的计算模拟方法；开展了大尺度岩体水压致裂过程物理模拟试验与数值模拟，并采用P4技术使颗粒模拟系统可视化，分析试验和模拟过程中岩体裂纹萌生-扩展-贯通的破坏形态及全空间演化规律，进一步深入地揭示岩体水力压裂破坏的复杂机理。..本项目结合国家新兴能源开发趋势，使用计算颗粒力学克服多尺度、非连续等水压致裂过程中的计算难点，并耦合计算流体力学研究多尺度下岩石水力特性，开展裂纹起裂、扩展规律机理以及多相物质运移规律研究，在揭示水压致裂机理的基础上，对科学指导页岩气能源开采具有重要的理论价值与现实意义。