文献分享：一区TOP期刊《Fuel 》—DEM模拟页岩的裂缝扩展过程

2024-10-25 18:31 山东

大家好！今天给大家分享来自TOP期刊《Fuel》的文章，大家快来学习一下吧。

页岩岩石的裂缝行为及其在地热储层中的应用：数值研究

Fracture Behaviour of Shale Rock and Applications in Geothermal Reservoirs: A Numerical Study

1. 主要摘要

本文通过数值模拟研究了页岩岩石的裂缝行为及其在地热储层开发中的应用潜力。使用离散元法（DEM）模拟不同加载条件下页岩的裂缝扩展过程，分析了岩石的力学特性和裂缝形成机制。研究表明，页岩的裂缝扩展受应力状态和孔隙结构的影响，且裂缝的形成和传播对地热储层的有效性至关重要。此外，研究还探讨了如何通过改进裂缝网络的设计来提高地热能的提取效率。

2. 引言

随着可再生能源的需求日益增加，地热能作为一种清洁能源被广泛关注。页岩储层因其广泛分布和适宜的温度条件，成为潜在的地热资源。然而，页岩的复杂结构和强度特性使得其在开发过程中面临许多挑战。了解页岩的裂缝行为对优化地热储层开发具有重要意义。本文旨在通过数值模拟技术，深入研究页岩在地热开发中的裂缝扩展行为，探索其在实际应用中的潜力。

3. 主要内容

1. 数值模型构建

本文采用离散元法（DEM）构建了页岩岩石的数值模型，以模拟其在不同应力条件下的裂缝扩展行为。DEM是一种适合模拟颗粒材料和岩石行为的数值方法，通过考虑单个颗粒或粒子之间的相互作用，可以深入分析复杂材料的力学响应。

（1）模型参数选择：为确保模拟结果的可靠性，模型参数基于已有的实验数据进行校准。采用的材料特性包括弹性模量、泊松比、内摩擦角等，这些参数对页岩的裂缝行为具有重要影响。特别是，选择合适的裂缝初始条件和接触模型对于模拟精度至关重要。

（2）裂缝特征建模：在模型中引入初始裂缝和孔隙结构，模拟页岩中的自然裂缝网络。这些裂缝的分布和特征会影响流体的渗透性和热传递，因此对裂缝特征的建模是理解页岩力学行为的关键。

2. 裂缝扩展机制分析

研究通过模拟不同加载条件下的应力状态，深入分析了裂缝的形成和传播机制。结果显示，裂缝的扩展行为不仅受到外部加载应力的影响，还与岩石的微观结构和孔隙特性密切相关。

（1）应力状态与裂缝扩展：在高应力条件下，模拟结果显示裂缝会以爆发性方式迅速扩展，通常集中在应力集中的区域。这种裂缝扩展可能导致大量流体的快速释放，对地热能的提取产生显著影响。相反，在低应力条件下，裂缝扩展则较为缓慢，且往往沿着微弱的岩体结构发生。

（2）孔隙结构的影响：不同的孔隙特征会影响流体的流动路径和热传递过程。研究表明，孔隙较小的区域可能导致流体的滞留，降低整体的热能提取效率。而较大的孔隙则提供了更好的流动通道，有助于提高热能的提取效果。

3. 地热储层开发中的应用

研究探讨了如何通过优化裂缝网络设计来提升地热能的提取效率。模拟结果表明，适当的裂缝间距和导流能力对提高流体流动效率至关重要。

（1）裂缝网络优化：通过调整裂缝的分布和密度，研究发现适宜的裂缝间距可以显著提高流体在储层中的流动速度，从而提高热能的提取效率。特别是在高温区域，流体的流动路径应尽量减少，以保持较高的温度。

（2）流体流动与温度场：研究还分析了裂缝扩展对储层温度场的影响。通过数值模拟，确定了不同裂缝网络设计下的温度分布，发现优化裂缝结构可以使得热能更加均匀地分布于储层内，提高整体热提取效果。

4. 主要结论

1. 通过本文的研究，开发的数值模型能够有效捕捉页岩的复杂裂缝扩展行为，揭示了多种因素对裂缝形成和传播的影响。
2. 研究结果表明，裂缝的形成机制和扩展模式对优化地热储层开发具有重要意义，特别是在提升流体流动和热提取效率方面。
3. 本研究为页岩在地热开发中的实际应用提供了理论支持和设计依据，推动了可再生能源的开发与利用。未来可进一步探索如何将此模型应用于更复杂的地质条件下，以优化不同地热资源的开发策略。

5. 主要结果图