COMSOL实现水力压裂过程中复杂裂缝扩展

目前使用comsol实现水力压裂的方法主要是相场法与连续介质损伤方法，相场法的实现比较复杂，不过一些学者已经把模型代码部分开源，帮助我们学习。连续介质损伤方法发展的比较早，其中国产软件RFPA在这方面做的比较好。目前线弹性损脆性或者软化模型使用的比较多，对于页岩、花岗岩水力压裂一般使用脆性损伤模型。而对于煤这种软岩，脆性模型有时候并不适用。基于煤破坏峰后软化行为，软化损伤模型比脆性模型更适用煤。相场法模型应用在弹性模量与强度比较低的岩石压裂过程中，很容易出现模型不收敛现象。相场法主要用在弹模比较大的且以张拉破坏为主的岩石压裂过程中，对于软煤可能存在失效的问题。

RFPA比较适用于脆性岩石的压裂或者破坏，模拟出来的效果也比较好，但是应用在煤的压裂时，形成的裂缝很宽，并不能很好的反映压裂效果。我目前借助使用比较多的COMSOL with Matlab平台，初步实现了实验室和现场中裂隙煤体中复杂裂缝扩展的模拟。模型中很大的问题，也是收敛问题，主要的参数与方程来自与公开发表的文献。该模型使用的主要方程是线弹性软化损伤方程与裂隙本构方程。水力裂缝与天然裂缝之间的相互作用，是模型的难点。comsol中的裂隙流模块，可以实现裂隙中水流动。在5.6之前的版本中，固体力学模块中有弹性薄层接口，这个接口可以自定义裂隙的本构方程。基于裂隙的本构模型，可以获得裂隙表面的法向应力与剪切应力，从而实现裂隙的闭合与张开，具体方程可以参考Qinghua Lei在IJRMMS上发表的论文。使用零厚度的线段或者平面来代替裂隙，煤岩的损伤主要发生在基质中，天然裂隙或其他节理不会出现损伤。使用矩形或者很薄的长方体表征裂隙，可以设置裂隙的强度参数和根据破坏准则判断破坏类型。不过，使用成百上千的矩形或者长方体的话，网格单元数量比较多，对计算机配置有较高的要求。COMSOL中比较容易生成离散裂隙网络（DFN)，模型计算量会小一些。

下面几幅图是实验室、现场水力压裂裂缝扩展的效果展示图。

Qinghua Lei的文献题目：

Modelling fluid injection-induced fracture activation, damage growth, seismicity occurrence and connectivity change in naturally fractured rocks