(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210931121.2 (22)申请日 2022.08.04 (71)申请人 西安石油大 学 地址 710065 陕西省西安市雁塔区电子二 路东段18号 (72)发明人 高千　周德胜　孙强　刘顺　黄海　 郑鹏　 (74)专利代理 机构 北京中知星原知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11868 专利代理师 艾变开 (51)Int.Cl. E21B 43/26(2006.01) E21B 47/00(2012.01) E21B 47/06(2012.01) G06F 30/20(2020.01)G06Q 50/02(2012.01) (54)发明名称 孔隙弹性介质中并行计算与模拟水力压裂 的方法 (57)摘要 本公开涉及孔隙弹性介质中并行计算与模 拟水力压裂的方法。 包括： 离散孔隙弹性介质， 表 征水力裂缝， 得到水力压裂模型； 使得水力裂缝 中水压力等于孔隙弹性介质表 面的水压力； 利用 粘聚力本构方程对岩石裂缝的非线性力学行为 进行表征， 基于裂缝立方定律对 水力裂缝中水流 的运移进行描述， 建立水压力场与位移场耦合计 算模型； 计算水力裂缝张开位移、 裂缝中水压力 分布和孔隙弹性介质位移场分布和水压力场分 布， 模拟水力裂缝扩展、 孔隙弹性介质变形、 水压 力场演化； 分析参数对水压力场、 诱导应力场和 水力裂缝形态的影响。 以此方式， 能够有效模拟 水力裂缝的扩展， 同时模拟与裂缝扩展相伴随的 压裂液漏失以及由漏失引起的孔隙水压力和地 应力变化。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115288650 A 2022.11.04 CN 115288650 A 1.一种孔隙弹性介质中并行计算与模拟水力压裂的方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 利用常规有限元单元离散所述孔隙弹性介质， 并且基于零厚度界面单元来表征水力裂 缝， 其中所述 零厚度界面单 元设置在所述常规有限元 单元之间以得到水力压裂模型； 以预定方式使得所述水力压裂模型中的所述水力裂缝中的水压力等于所述孔隙弹性 介质表面的水压力； 利用粘聚力本构方程对所述水力裂缝扩展过程中岩石裂缝的非线性力学行为进行表 征， 并且基于裂缝立方定律对所述水力裂缝中水流的运移进行描述， 以在所述水力压裂模 型中建立水压力场与位移场耦合计算模型； 计算针对所述水力 裂缝的张开位移、 裂缝中水压力分布以及针对所述孔隙弹性介质的 位移场分布和水压力场分布， 模拟所述孔隙弹性介质中水力裂缝 的扩展、 孔隙弹性介质的 变形、 水压力场的演化中的一 者或多者； 以及 描述孔隙弹性介质中裂缝形态、 水压力场和地应力场特征， 分析针对所述水力压裂的 至少一个参数对所述水力裂缝扩展过程中水压力场、 诱 导应力场和水力裂缝 形态的影响。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 基于并行有限元方法以常规有限元单元离 散所述孔隙弹性介质， 并且基于零厚度界面单 元来表征 水力裂缝包括： 利用三维六面体有限元 单元来离散孔隙弹性介质； 在离散的三维六面体有限元网格之间插 入所述零厚度界面单 元； 以及 对所述三维六面体有限元单元和所述零厚度界面单元进行重新编 号， 使有限元单元编 号和节点编号连续。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 建立水压力场与位移场耦合计算模型包 括： 基于孔隙弹性介质理论、 粘聚力本构和并行有限元理论 来建立力平衡控制方程组； 基于所述孔隙弹性介质理论和所述裂缝立方定律来建立质量平衡控制方程组， 其中所 述力平衡控制方程组和所述质量平衡控制方程组中的至少一者与所述三维六面体有限元 单元的方程组和所述 零厚度界面有限元 单元的方程组中的至少一 者相关联； 以及 采用并行有限元方法组合所述三维六面体有限元单元的方程组和所述零厚度界面有 限元单元的方程组， 以得到总体控制方程组。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 计算针对所述孔隙弹性介质的位移场分布 和水压力场分布包括： 基于牛顿迭代法来并行计算所述总体控制方程组， 以得到所述水压力场与位移场耦合 计算模型中针对所述 孔隙弹性介质的位移场分布和水压力场分布； 以及 基于所计算的针对所述孔隙弹性介质的位移场分布和水压力场分布， 在全局坐标系下 计算所述水压力场与位移场耦合计算模型的应 变场和应力场分布。 5.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 采用并行有限元方法组合所述三维六面体 有限元单元的方程组和所述零厚度界面有限元单元的方程组， 以得到总体控制方程组包 括： 将所述三维六面体有限元单元和所述零厚度有限元单元平均分布到并行计算系统中 的一个或多个处 理器； 在所述一个或多个处 理器上组装单 元刚度矩阵； 以及权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115288650 A 2基于所述并行有限元方法， 在并行计算系统中处理所述单元刚度矩阵， 以获得所述总 体控制方程组。 6.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 计算所述水压力场与位移场耦合计算模型 的应变场和应力场分布包括： 利用并行计算方法， 求解所述水压力场与位移场耦合计算模型的所述总体控制方程 组， 以获得 所述水压力场与位移场耦合计算模型的所述 位移场分布和所述水压力场分布； 将计算所得的所述位移场分布和所述水压力场分布数据传输至并行计算系统中的一 个或多个处 理器； 以及 在所述一个或多个处理器上进行后处理， 计算所述水压力场与位移场耦合计算模型的 应变场和应力场分布。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述至少一个参数包括表征所述孔隙弹性 介质中水力压裂后所述水力裂缝的水力力学特征参数， 所述水力力学特征参数包括注水压 力、 裂缝长度、 裂缝高度、 裂缝宽度、 裂缝周围水压力和地应力分布中的一 者或多者。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 描述孔隙弹性介质中所述裂缝形态、 水压 力场和地应力场特征， 分析针对所述水力压裂的至少一个参数对所述水力裂缝扩展过程中 水压力场、 诱 导应力场和水力裂缝 形态的影响包括： 分析所述孔隙弹性介质特征参数和水力压裂施工参数对所述水力裂缝的水力力学特 征的影响规 律， 对所述水力裂缝的几何形态、 扩展方式进行规 律性总结； 以及 分析所述水力裂缝扩展过程中， 所述水压力场和所述地应力场的演化特征， 并通过以 下参数中的一者 或多者进 行表征： 裂缝所处改造区面积、 诱导应力场影响范围、 水压力场影 响范围、 裂缝 缝宽分布、 裂缝 带长、 裂缝 带宽以及裂缝 带高。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 基于线弹性孔隙介质理论、 有限单元法和 数值分析原理， 利用并行有限元方法来离散所述孔隙弹性介质并且基于零厚度界面单元来 表征水力裂缝； 或 基于并行有限元计算方法来计算所述水力裂缝的张开位移、 裂缝中水压力分布以及计 算所述孔隙弹性介质的位移场分布和水压力场分布。 10.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述预定方式包括拉格朗日数值处 理。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115288650 A 3