岩石内部水力压裂破坏失效仿真分析
1背景与目的
我们知道cohesive单元常常被用来模拟裂纹损伤，在岩石内部压裂的仿真中同样如此，通过cohesive单元嵌入、定义失效准则可以很好地再现裂纹损伤现象，相对于试验，这是仿真无与伦比的巨大优势。本文通过ABAQUS分析技术，应用cohesive单元来模拟水力裂缝的现象。
2问题描述
模型为水力压裂施工的目标地层，地层深度为2000m，压裂目标层厚度10m，上下层厚度均为20m，岩土层参数和地应力条件见表1所示，施工采用的压裂液黏度为1，施工为定排量施工，注液峰值为0.6m3/min，注入总时长300s，其中前30s为注液提速阶段，注入点位于目标层中点。
表1 岩土层材料参数及相应条件
地层 |
单位 |
上下盖层 |
目标层 |
弹性模量 |
GPa |
15 |
20 |
泊松比 |
/ |
0.3 |
0.25 |
渗透系数 |
m/s |
1e-8 |
1e-7 |
滤失系数 |
m2.s/kg |
1e-15 |
1e-13 |
抗拉强度 |
MPa |
4 |
2 |
断裂能密度 |
N/m |
8000 |
4000 |
垂直地应力 |
MPa |
32 |
32 |
水平最大地应力 |
MPa |
30 |
30 |
水平最小地应力 |
MPa |
30 |
25 |
孔隙压力 |
MPa |
20 |
20 |
3模型
模型满足对称条件，因此建立一半的模型，并将对称面中点作为注入点。对称面采用对称约束，且为不透水边界，建立的有限元模型如图1所示。
图1网格模型
4有限元分析
关于cohesive单元的嵌入，需要注意的是本次案例是在abaqus2017版本上进行的，若是abaqus2016及以下版本则并没有提供insert cohesive seams功能。在这里，需要打开命令mesh→edit，将类型修改为select from interior entities，按照软件提示信息选择模型中间内部剖面，单击done完成零厚度的cohesive孔压单元，在信息窗口中提示插入单元和新建集合的情况，如图2所示。至于其他接触约束及边界条件的建立参考上传附件内容，这里不再详细说明。
图2嵌入cohesive单元命令
5结果
5.1损伤单元动态分布云图
6结论
应用cohesive单元可以很好地模拟岩土类内部单元损伤破坏的现象，相对于试验，其简单的仿真操作步骤极大降低了时间、经济成本，能够知道岩土内部破坏的参数优化及损伤预测。
参考文献
[1]江丙云.ABAQUS分析之美[M].北京：人民邮电出版社，2021.
