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2021-07-24

• 地质中自然发生的流固、热固耦合作用强度相对较弱，只有当空间、时间尺度足够大时效果才会显现。

水力压裂（Hydraulic fracturing、Fractuing、Hydraulic stimulation）

• 
• 将大量高压流体（压裂液）注入地下，以沟通、扩展原生裂缝并创造新的裂缝为目的。进而诱导产生复杂的裂缝网络，以提高储层渗透性以及油气产量。
• 是提高非常规储层渗透性与油气产量的重要手段。
• 通常在水力压裂作业后期，需要将砂砾等“支撑剂”与压裂液混合，保证裂缝在压力释放后仍能保持开启。
• 水力压裂是非常规油气实现商业开采的关键技术。
• 水力压裂是非常规储层改造的重要手段。

双翼型主裂缝

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• 在常规储层渗透性改造方面起主导作用。
• 经典的压裂形态，传统理论在进行压裂预测时也通常进行双翼型裂缝形态假设，并对裂缝长度、宽度进行优化。
• 图中 d 表示在垂直方向通过基质渗流可以动用的最远距离（也即：有效渗透距离）。
• 基质渗透率越高，有效距离 d 值越大。
• 而对于非常规储层，基质渗透率极低，有效距离 d 极小。
• 因此，双翼型裂缝在非常规储层中可以动用的体积极小，需要非常高的驱替压力，才能增加有效距离 d。

体积压裂

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• 通过水力压裂形成的主裂缝、分支裂缝尽可能多的沟通储层内的天然裂缝、节理、缺陷，最终形成复杂的裂缝网络。
• 最早是在2002年^[1]，由Maxwell、Fisher等通过微震信号监测发现的。
• 为了最大程度对非常规储层进行改造。
• 虽然非常规储层中每条裂缝可以动用的有效距离d很短，但由于相互交错的裂缝数目很多，仍然可以动用大量储层。
• 天然裂缝是形成复杂裂缝网络的关键因素。
• 水力压裂形成复杂裂缝网络成为页岩等非常规储层改造的共识。

页岩

• 顾名思义，书页状的岩石，层层分布，是常见一种沉积岩类型。
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• 它的组成颗粒很细，具有光滑的膜感；
• 层与层之间很薄。
• 页岩有不同的颜色：白的（硅质页岩）、灰白的（钙质页岩）、灰绿的、灰褐的（铁质页岩）、灰黑的（炭质页岩）、深黑的（油母页岩），这是由构成它的不同物质所决定的。

页岩气^[2]

• 主要成分为甲烷，由碳和氢组成，属有机质，是从页岩中的有机质演化而来。

非常规储层

• 主要包括：页岩气、页岩油、致密砂岩储层、煤层气等
• 共同特点是：渗透率极低

岩石热开裂

• 顾名思义，也即是热应力导致的岩石损伤现象。
• 从地表算起，深度每增加1000 m，温度大约升高30 ℃，例如4000m（120℃）。

干热岩（HDR）^[3]

• 干热岩（又名增强型地热系统），一般是出现在地下3-10公里深的位置，温度可以达到200℃，这种高温岩体最大的特征就是它的内部是不含流体，或仅有少量地下流体，由于温度很高，我们可以利用技术来开发干热岩中的热能。
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• 清洁、可再生、储量丰富、温度高……
• 21世纪最有前途的新能源之一。
• 理论上来说，干热岩的储量是非常巨大的，而且开发使用过程中是无污染的，还不受季节的影响，是相当稳定的一种能源供应.

放射性核废物怎么处理？

• 将其深埋于地下500-1000m岩层进行地质隔离；
• 高放射性核废物在埋存期间会发生衰变进而不断放热，核废料周围岩石温度升高（ > 200-300℃），而远场岩石温度较低，因此会产生一个较高的温度梯度。进而会导致岩石发生热开裂，最终导致核废料处置的安全性与稳定性产生巨大影响。

2021-07-25

岩石流/热致裂的数值模拟

• 可以分为两类：
• 连续介质假定（连续尺度模型）：
• 连续尺度模型通常将岩石简化为均质、各向同性的连续介质，不对孔隙和骨架进行区分，每一点既包括流体信息又包括固体信息。
• 
• Biot提出经典三维固结理论描述流固耦合作用：
• （1） 多孔介质均质、各向同性；
• （2）平衡状态下，应力-应变关系可逆；
• 优点与局限性，连续尺度模型在岩石流固、热固耦合模拟方面应用广泛，对于指导工程实际具有不可替代的作用，但是在岩石断裂机理探究方面存在局限性。
• 局限性：
• （1）与金属等连续型材料不同，岩石是一种典型的多孔介质，呈现较强的不连续性与非均质性。
• （2）连续理论模型假设较多，难以揭示岩石微观断裂机理。
• （3）岩石由于热应力形成的损伤大多属于矿物颗粒之间、颗粒内部的微裂纹，而连续理论模型往往需略了材料的内部细节。

• 基于岩石离散介质的本质，不受连续性假设的限制（孔隙尺度模型 或 离散模型）：
• 与连续尺度模型不同，孔隙尺度模型在模拟岩石力学行为时，不需要预先设置宏观本构模型，而是基于岩石离散介质的本质，通过追踪所有离散颗粒的运动反应岩石整体的力学行为，其中，典型代表为离散单元法（DEM）^[4][5]
• DEM是一种典型的粒子法。材料被里三位颗粒集合，可以在孔隙尺度上描述材料内部的微观细节。
• 由于没有宏观连续性假设的限制，DEM在模拟岩石、土壤等颗粒材料大变形、断裂等复杂行为方面取得巨大成功。
• DEM基于孔隙尺度，是研究材料内部微观作用机制的有效手段。
• 优点： 与其他传统数值方法相比，例如有限元法，DEM可以方便、有效地描述岩石内部的集合结构，包括孔隙尺寸的不连续性；不需要借助复杂的控制方程、本构模型就可以模拟复杂的力学行为；同时可以提供孔隙尺度上具有统计意义的模拟信息，进而为揭示岩石微观断裂机理提供依据。
• 缺点：DEM方法需要求解大量粒子的力学行为，因此计算量较大，如何提高计算效率也是必须要面临的问题。

2021-07-29

应力-应变关系

• 材料力学是研究构件承受载荷能力的学科
• 物体的受力可分为：拉压、扭转、弯曲、剪切几种基本形式。复杂的受力方式可以由这几种基本形式叠加。
• 应力（Stress）：内力分布的集度
• 内力（Internal Force）：在外力作用下，构件内各质点的相应位置发生了变化，从而引起的各质点间相互作用力的改变量，又称“附加内力”。
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• 应变（Strain）
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• 某一种特定材料的应力与应变关系称为该材料的应力-应变曲线（stress-strain curve）。 每一种材料都有唯一的应力-应变曲线，该曲线可以通过记录材料在不同的拉伸和压缩加载（应力）下的形变（应变）来获得。

热应力

• 在热固耦合问题中，一个重要的概念为热应力；
• 材料发生温度变化时，会有膨胀、收缩的趋势，当这种趋势被约束时则会产生热应力。
• 这种约束可能来源于外部，也可能是材料自身变形不协调所致。
• 自由膨胀、收缩不存在约束，因此不会产生热应力。
• 热应变与温度变化成正比。
• $\epsilon_{xx}$ = $\epsilon_{yy}$ = $\epsilon_{zz}$ = $\beta\Delta T$
• 其中$\epsilon_{xx}$、$\epsilon_{yy}$、$\epsilon_{zz}$为正应变，$\beta$为膨胀系数，为材料固有属性。

纳维–斯托克斯方程（NS方程）

达西定律（Darcy’s law）

• 是描述液体流过孔隙介质的本构方程。这个定律是法国工程师亨利·达西在1856年基于水流过沙的实验结果得到的.此定律成为了地球科学的一个分支，水文地质学的基础；并且在生理学中也应用在对于血液与微血管的描述中。
• 达西定律为NS方程的简化，忽略了 对流项与惯性项，能够有效描述缓慢渗流过程。
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• $Q$ = $\frac {\kappa A (p_b-p_a)} {\mu L}$
• 其中，$Q$为总流量，$\kappa$为介质固有的渗透率，$A$为介质的截面，$(p_b-p_a)$为总压降，$L$为压降的距离，$\mu$为流体的黏度。