基于微观结构的各向异性岩石水力压裂离散元模拟

摘要

沉积结构面的存在显著影响页岩等岩石沿不同方向的物理和力学特性.为研究层理对岩石水力压裂响应的影响,本文开展了基于微观结构的各向异性岩石水力压裂半定量离散元模拟.通过在由平行黏结模型组成的各向同性岩石中插入一系列光滑节理显式表征各向异性岩石的微观层理结构.采用颗粒尺度上的管域模型描述岩石的水力耦合行为.分别开展了各向同性和各向异性岩石在无围压和有围压条件下的水力压裂过程模拟.结果表明,各向同性岩石在无围压状态下,水力压裂裂缝扩展表现出一定的随机性,裂缝的起始和扩展主要沿着最弱黏结处进行.边界应力即围压的存在控制了各向同性岩石的裂缝沿着最大主应力方向发展.该结果与断裂力学预测结果一致.在无围压条件下,各向异性岩石的水力压裂裂缝沿着结构面的方向阶梯状发展.有围压条件下,各向异性岩石的水力压裂起始裂缝沿层理方向扩展至一定距离后转向最大主应力方向.本文证实了基于微观结构的离散元模型模拟页岩水力压裂的可行性,为后续建立定量的多尺度模型提供了基础.