一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法
1.本發(fā)明屬于干熱巖地熱能開發(fā)的人工熱儲建造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法。
背景技術(shù)：
2.隨著經(jīng)濟的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的供應(yīng)日益緊缺。為實現(xiàn)節(jié)能減排和碳中和目標，可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重將提高。地熱能作為一種儲量豐富、分布廣泛的可再生清潔能源，在實現(xiàn)碳中和目標中發(fā)揮著重要作用。干熱巖是地熱能最主要的存儲介質(zhì)，其開發(fā)主要基于使用增強型地熱系統(tǒng)來提取內(nèi)部熱量。利用水力壓裂等工程技術(shù)，在深部地下低滲透干熱巖中形成人工儲熱結(jié)構(gòu)，從而在長期內(nèi)經(jīng)濟地產(chǎn)生可觀的熱能。
3.然而深部巖體完整，水力壓裂困難，因此鉆井往往選擇在天然裂隙發(fā)育和斷層帶區(qū)域，這些區(qū)域地應(yīng)力復(fù)雜，天然裂隙分布情況未知，導(dǎo)致水力壓裂工程設(shè)計時裂隙擴展預(yù)測困難。如果水力壓裂不能準確預(yù)測，可能造成壓裂液漏失嚴重。室內(nèi)試驗受限于苛刻的條件無法有效開展，因此干熱巖水力裂縫擴展數(shù)值模擬是有必要的。
4.高溫深層地層進行水力壓裂施工時，低溫壓裂液快速注入高溫地層，壓裂縫中的液體與地層快速進行熱交換，地層巖石的力學性能因水冷沖擊作用而劣化，并且因為冷卻收縮而產(chǎn)生低溫誘導(dǎo)熱應(yīng)力，兩者共同作用可以有效抵消部分巖石起裂時阻力。然而，目前的多數(shù)水力壓裂設(shè)計裂縫擴展模型尚未考慮到水冷沖擊對巖石力學性能的劣化作用給裂縫擴展所帶來的影響，存在一定的局限性。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
5.本發(fā)明的目的是提供一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，從而準確的預(yù)測起裂壓力及儲層水力裂縫擴展形態(tài)。
6.本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，具體按照以下步驟實施：
7.步驟1、收集干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)、擬注入的壓裂液參數(shù)和工程參數(shù)；
8.步驟2、根據(jù)工程參數(shù)，利用comsol繪制擬模擬壓裂的巖體形狀，得到計算域，并利用matlab實現(xiàn)巖石非均勻性的weibull 分布；
9.步驟3、對計算域添加熱-流-固多物理場，建立相互的耦合關(guān)系，形成熱-流-固多物理場耦合模型；
10.步驟4、對熱-流-固多物理場耦合模型進行全耦合計算，將結(jié)果導(dǎo)入matlab進行損傷變量計算；
11.步驟5、將損傷變量導(dǎo)入comsol中計算損傷對各參數(shù)的影響，并重復(fù)步驟4，直到該注入壓力下?lián)p傷變量不再增加，即損傷穩(wěn)定；
12.步驟6、增加注入壓力p
inj
，重復(fù)步驟4、5進行循環(huán)計算，直至巖體完全破裂即可停止計算，即可確定壓裂結(jié)束時裂隙擴展形態(tài)。
13.本發(fā)明的特點還在于，
14.步驟1中，物理參數(shù)包括：最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、巖石彈性模量、巖石泊松比、巖石抗拉強度、巖石孔隙度、巖石密度、地層原始溫度、巖石滲透率、巖石熱膨脹系數(shù)、巖石導(dǎo)熱系數(shù)、巖石比熱容、巖石非均質(zhì)系數(shù)、巖石傳熱系數(shù)；壓裂液參數(shù)包括：壓裂液黏度、壓裂液密度、壓裂液導(dǎo)熱系數(shù)、壓裂液比熱容、壓裂液溫度；工程參數(shù)包括：井筒直徑和井間距。
15.步驟3中，熱-流-固多物理場耦合模型方程為：
16.固體力學方程：
17.式中，μ和λ為拉梅常數(shù)；α為biot系數(shù)；α
t
為巖石的熱膨脹系數(shù)；k為巖石的排水體積模量，k＝(2μ+3λ)/3；ui和fi分別為體力和位移在i方向的分量，其中分別為體力和位移在i方向的分量，其中p
,i
和t
,i
為孔隙壓力和溫度在i方向的分量；-αp
,i
為有效孔隙壓力作用項；-kα
t
t
,i
為熱應(yīng)力項；
18.流體流動方程：
19.式中，ρ
l
為流體的密度；εv為體積應(yīng)變；φ為巖體孔隙率，其中φ0為初始孔隙度，φr為強應(yīng)力狀態(tài)下的殘余孔隙度，α
φ
為孔隙度對應(yīng)力的敏感系數(shù)，為平均有效應(yīng)力；β
l
為流體的壓縮系數(shù)；k為巖體的滲透率；μ
l
為流體的動力黏滯系數(shù)；為梯度算子；為孔隙壓力梯度；qm為流體的源匯項；α
l
為流體的熱體積膨脹系數(shù)；為應(yīng)力作用項；為溫度作用項；
20.傳熱方程：
21.式中，(ρc)
eff
＝ρ
scs
(1-φ)+ρ
lcl
φ和λ
eff
＝λs(1-φ)+λ
l
φ分別表征干熱巖的等效體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其中λs和cs分別為巖體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，c
l
和λ
l
分別為流體的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；q
t
為對流熱通量，q
t
＝h(t
ext-t)，h為對流換熱系數(shù)，t
ext
為外部溫度；為熱彈性阻尼項，為流速影響的熱對流項。
22.水冷沖擊作用對巖石力學參數(shù)的劣化：
23.彈性模量：e(δt)＝e(t0)(1.348-0.347e
0.00215δt
)
24.抗拉強度：f
t
(δt)＝f
t
(t0)(1.31-0.31e
0.002δt
)
25.式中，e(t0)和f
t
(t0)分別為初始彈性模量和抗拉強度；降溫幅度δt＝t
0-t，t0為巖石壓裂前的初始溫度，t為巖石受水冷沖擊后的溫度。
26.步驟4中，全耦合計算方法為：將干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)和壓裂液參數(shù)代入
熱-流-固多物理場耦合模型中，上方和右方分別設(shè)置最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的均布邊界荷載，下方和左方設(shè)置為輥支撐，四周為不透水邊界，圓孔為壓力邊界，四周為絕熱邊界，圓孔為對流熱通量邊界，外部溫度設(shè)置為壓裂液溫度；定義巖石初始滲透壓力為零，初始溫度為儲層溫度，輸入初始注入壓力p
inj
，開始瞬態(tài)計算，得到溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變分布；
27.損傷變量計算方程為：
28.最大拉應(yīng)力準則：f＝σ
t-f
t
(δt)
29.損傷變量d：
30.式中，f為拉應(yīng)力σ
t
和抗拉強度f
t
(δt)的差值，其中抗拉強是關(guān)于降溫幅度δt的函數(shù)；ε
t0
為極限拉應(yīng)變；ε
t
為拉應(yīng)變。
31.根據(jù)最大拉應(yīng)力準則，當巖體單元所受拉應(yīng)力大于抗拉強度時，損傷變量增加，則判定巖石開裂，此時的注入壓力p
inj
即為巖體的起裂壓力。
32.步驟5中，損傷對各參數(shù)的影響的方程包括：
33.彈性模量：e(d,t)＝(1-d)e(δt)；
34.滲透率：
35.導(dǎo)熱系數(shù)：λs＝λ
s0
exp(d/α
dλ
)；
36.比熱容：
37.biot系數(shù)：
38.式中，e(d,t)為巖體彈性模量，e(δt)表示水冷沖擊作用對巖石彈性模量的影響；k0為無應(yīng)力狀態(tài)的初始滲透率，α
dk
為描述損傷誘導(dǎo)的滲透率影響因子；λ
s0
和c
s0
分別為巖體的初始導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；α
dλ
為損傷對導(dǎo)熱系數(shù)的影響因子；α
dc
為損傷對比熱容的影響因子；α0是初始biot系數(shù)。
39.本發(fā)明的有益效果是，針對干熱巖水力壓裂過程中低溫壓裂液注入高溫地層引起的水冷沖擊作用，建立了熱-流-固多物理場耦合模型，提供了一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法；由于該方法充分考慮了低溫壓裂液注入高溫地層引起的水冷沖擊影響，可準確預(yù)測起裂壓力及儲層水力裂縫擴展形態(tài)，定量地評估水力壓裂施工效果，為增強型地熱系統(tǒng)的壓裂設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和參考。
附圖說明
40.圖1是本發(fā)明一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法的流程示意圖；
41.圖2為本發(fā)明干熱巖計算域及邊界條件示意圖；
42.圖3為本發(fā)明熱-流-固多物理場耦合的方式示意圖；
43.圖4為本發(fā)明干熱巖水力壓裂的開裂機理示意圖；
44.圖5為本發(fā)明實施例中考慮水冷沖擊作用與未考慮水冷沖擊作用的水力壓裂裂縫形態(tài)對比圖。
具體實施方式
45.下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
46.本發(fā)明一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，如圖1所示，具體按照以下步驟實施：
47.步驟1、收集干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)、擬注入的壓裂液參數(shù)和工程參數(shù)；
48.其中，物理參數(shù)包括：最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、巖石彈性模量、巖石泊松比、巖石抗拉強度、巖石孔隙度、巖石密度、地層原始溫度、巖石滲透率、巖石熱膨脹系數(shù)、巖石導(dǎo)熱系數(shù)、巖石比熱容、巖石非均質(zhì)系數(shù)、巖石傳熱系數(shù)；
49.壓裂液參數(shù)包括：壓裂液黏度、壓裂液密度、壓裂液導(dǎo)熱系數(shù)、壓裂液比熱容、壓裂液溫度；
50.工程參數(shù)包括：井筒直徑和井間距；
51.步驟2、根據(jù)工程參數(shù)，利用comsol繪制擬模擬壓裂的巖體形狀，得到計算域，并利用matlab實現(xiàn)巖石非均勻性的weibull 分布；
52.利用comsol繪制擬模擬壓裂的巖體形狀的具體步驟為：以坐標原點為中心生成井間距大小的正方形以及井筒直徑大小的圓形，對兩者進行布爾差集運算得到計算域，如圖2所示。
53.利用matlab實現(xiàn)巖石非均勻性的weibull分布的具體步驟為：使用三角形有限元的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(通過delaunay細分)對域進行離散化，將網(wǎng)格節(jié)點坐標導(dǎo)出；利用matlab生成等同于網(wǎng)格節(jié)點數(shù)的weibull分布隨機數(shù)并與儲層參數(shù)相乘，得到不同參數(shù)的二維矩陣形式并導(dǎo)出為txt文件；在comsol基于文件定義插值函數(shù)來對材料參數(shù)賦值，從而實現(xiàn)儲層的參數(shù)在空間上的不均勻性；
54.步驟3、對計算域添加熱-流-固多物理場，建立相互的耦合關(guān)系，如圖3所示；
55.使用comsol中的多孔介質(zhì)傳熱、達西定律和固體力學等物理場方程。分別激活多孔彈性和熱膨脹接口以實現(xiàn)固體力學和流體流動、固體力學和傳熱方程之間的直接耦合。溫度改變會改變流體性質(zhì)進而影響流場的流動，還可以以熱應(yīng)力的形式引起固體變形，而流場的流動引發(fā)熱對流反過來又會導(dǎo)致溫度發(fā)生變化，且流體在裂縫里流動時會產(chǎn)生孔隙水壓力，從而導(dǎo)致固體發(fā)生變形；同樣，固體的變形直接改變孔隙度，也會導(dǎo)致流場的流動發(fā)生變化，同時由于熱擴散傳熱又會造成溫度場發(fā)生改變。
56.多物理場耦合方程為：
57.固體力學方程：
58.式中，μ和λ為拉梅常數(shù)；α為biot系數(shù)；α
t
為巖石的熱膨脹系數(shù)；k為巖石的排水體積模量，k＝(2μ+3λ)/3；ui和fi分別為體力和位移在i方向的分量，其中
p
,i
和t
,i
為孔隙壓力和溫度在i方向的分量；-αp
,i
為有效孔隙壓力作用項；-kα
t
t
,i
為熱應(yīng)力項。
59.流體流動方程：
60.式中，ρ
l
為流體的密度；εv為體積應(yīng)變；φ為巖體孔隙率，與巖石所承受的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，其中φ0為初始孔隙度，φr為強應(yīng)力狀態(tài)下的殘余孔隙度，α
φ
為孔隙度對應(yīng)力的敏感系數(shù)，為平均有效應(yīng)力；β
l
為流體的壓縮系數(shù)；k為巖體的滲透率；μ
l
為流體的動力黏滯系數(shù)；為梯度算子；為孔隙壓力梯度；qm為流體的源匯項；α
l
為流體的熱體積膨脹系數(shù)；為應(yīng)力作用項；為溫度作用項；
61.傳熱方程：
62.式中，(ρc)
eff
＝ρ
scs
(1-φ)+ρ
lcl
φ和λ
eff
＝λs(1-φ)+λ
l
φ分別表征干熱巖的等效體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其中λs和cs分別為巖體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，c
l
和λ
l
分別為流體的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；q
t
為對流熱通量，q
t
＝h(t
ext-t)，其中h為對流換熱系數(shù)，t
ext
為外部溫度；為熱彈性阻尼項，為流速影響的熱對流項。
63.干熱巖儲層的高溫和地應(yīng)力導(dǎo)致水力壓裂過程中流體物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化。為了更好地模擬真實壓裂情況，必須充分考慮不同溫度和壓力下物性參數(shù)的變化。從美國國家標準與技術(shù)研究所的物性數(shù)據(jù)庫得到不同溫度和壓力下流體的密度ρ
l
、黏度μ
l
、導(dǎo)熱系數(shù)λ
l
和比熱容c
l
、可壓縮系數(shù)β
l
等參數(shù)，然后導(dǎo)入comsol中通過插值函數(shù)定義流體材料參數(shù)。
64.高溫巖體水力壓裂試驗表明，干熱巖水力壓裂過程中，由于流體
??
巖體溫度差異引起的水冷沖擊作用會降低巖體的力學性能，增強巖石的滲透性，加速熱交換過程。對不同高溫花崗巖水冷后的力學試驗結(jié)果進行歸一化和平均化，提出了水冷沖擊作用對巖石力學參數(shù)的劣化程度的數(shù)學表達式：
65.彈性模量：e(δt)＝e(t0)(1.348-0.347e
0.00215δt
)
66.抗拉強度：f
t
(δt)＝f
t
(t0)(1.31-0.31e
0.002δt
)
67.式中，e(t0)和f
t
(t0)分別為初始彈性模量和抗拉強度；降溫幅度δt＝t
0-t，t0為巖石壓裂前的初始溫度，t為巖石受水冷沖擊后的溫度；
68.步驟4、將對熱-流-固多物理場耦合模型進行全耦合計算，將結(jié)果導(dǎo)入matlab進行損傷變量計算；
69.全耦合計算方法為：步驟1的干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)和壓裂液參數(shù)代入熱-流-固多物理場耦合模型中，上方和右方分別設(shè)置最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的均布邊界荷載，下方和左方設(shè)置為輥支撐。四周為不透水邊界，圓孔為壓力邊界。四周為絕熱邊界，圓孔為對流熱通量邊界，外部溫度設(shè)置為壓裂液溫度；定義巖石初始滲透壓力為零，初始溫度為
儲層溫度。輸入初始注入壓力p
inj
，開始瞬態(tài)計算，得到溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變分布；
70.損傷變量計算方程為：
71.最大拉應(yīng)力準則：f＝σ
t-f
t
(δt)
72.損傷變量d：
73.式中，f為拉應(yīng)力σ
t
和抗拉強度f
t
(δt)的差值，其中抗拉強是關(guān)于降溫幅度δt的函數(shù)；ε
t0
為極限拉應(yīng)變；ε
t
為拉應(yīng)變。
74.根據(jù)最大拉應(yīng)力準則，當巖體單元所受拉應(yīng)力大于抗拉強度時，損傷變量增加，則判定巖石開裂，此時的注入壓力p
inj
即為巖體的起裂壓力；
75.步驟5、將損傷變量導(dǎo)入comsol中計算損傷對各參數(shù)的影響，并重復(fù)步驟4，直到該注入壓力下?lián)p傷變量不再增加，即損傷穩(wěn)定。
76.損傷對各參數(shù)的影響的方程包括：
77.彈性模量：e(d,t)＝(1-d)e(δt)；
78.滲透率：
79.導(dǎo)熱系數(shù)：λs＝λ
s0
exp(d/α
dλ
)；
80.比熱容：
81.biot系數(shù)：
82.式中，e(d,t)為巖體彈性模量，是損傷和溫度的函數(shù)，其中 e(δt)表示水冷沖擊作用對巖石彈性模量的影響；k0為無應(yīng)力狀態(tài)的初始滲透率，α
dk
為描述損傷誘導(dǎo)的滲透率影響因子；λ
s0
和c
s0
分別為巖體的初始導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；α
dλ
為損傷對導(dǎo)熱系數(shù)的影響因子；α
dc
為損傷對比熱容的影響因子；α0是初始biot系數(shù)。
83.步驟6、增加注入壓力p
inj
，重復(fù)步驟4、5進行循環(huán)計算，直至巖體完全破裂即可停止計算，即可確定壓裂結(jié)束時裂隙擴展形態(tài)。
84.干熱巖水力壓裂的起裂原理如圖4所示。由于高溫環(huán)境，干熱巖在形成過程中始終保持熱膨脹狀態(tài)。當被水冷卻時，巖石的快速收縮會導(dǎo)致顯著的熱應(yīng)力。與孔隙水壓力結(jié)合形成拉應(yīng)力。由于熱交換，圍巖溫度迅速下降，水冷沖擊使巖石的抗拉強度顯著下降。干熱巖水力壓裂過程中高溫巖石的抗拉強度、冷收縮引起的熱應(yīng)力和孔隙水壓力均發(fā)生動態(tài)變化。當巖石的拉應(yīng)力達到其自身的抗拉強度時，井筒圍巖破裂。干熱巖的開裂是由水冷沖擊引起的抗拉強度劣化、冷收縮引起的熱應(yīng)力和水力壓裂中的孔隙水壓力共同作用引起的。
85.實施例
86.以國內(nèi)某增強型地熱系統(tǒng)為例，利用表1所示的干熱巖儲層的主要參數(shù)模擬壓裂結(jié)束后的裂縫形態(tài)。按如前步驟開展實例計算，并根據(jù)計算結(jié)果，輸出壓裂結(jié)束時裂縫形
態(tài)。同時，對比了考慮水冷沖擊作用和未考慮考慮水冷沖擊作用下的壓裂裂縫形態(tài)的差異，如圖5所示，可以看出，不考慮冷沖擊作用會對起裂壓力的估算產(chǎn)生較大誤差?？紤]水冷沖擊作用的裂隙寬度和長度更大，裂隙分布更密集。
87.表1某干熱巖儲層的勘探參數(shù)
[0088][0089]
本發(fā)明針對干熱巖水力壓裂過程中低溫壓裂液注入高溫地層引起的水冷沖擊作用，建立了熱-流-固多物理場耦合模型，提供了一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法。由于該方法充分考慮了低溫壓裂液注入高溫地層引起的水冷沖擊影響，可準確預(yù)測起裂壓力及儲層水力裂縫擴展形態(tài)，定量地評估水力壓裂施工效果，為增強型地熱系統(tǒng)的壓裂設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和參考。
技術(shù)特征：
1.一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1、收集干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)、擬注入的壓裂液參數(shù)和工程參數(shù)；步驟2、根據(jù)工程參數(shù)，利用comsol繪制擬模擬壓裂的巖體形狀，得到計算域，并利用matlab實現(xiàn)巖石非均勻性的weibull分布；步驟3、對計算域添加熱-流-固多物理場，建立相互的耦合關(guān)系，形成熱-流-固多物理場耦合模型；步驟4、對熱-流-固多物理場耦合模型進行全耦合計算，將結(jié)果導(dǎo)入matlab進行損傷變量計算；步驟5、將損傷變量導(dǎo)入comsol中計算損傷對各參數(shù)的影響，并重復(fù)步驟4，直到該注入壓力下?lián)p傷變量不再增加，即損傷穩(wěn)定；步驟6、增加注入壓力p
inj
，重復(fù)步驟4、5進行循環(huán)計算，直至巖體完全破裂即可停止計算，即可確定壓裂結(jié)束時裂隙擴展形態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，其特征在于，所述步驟1中，物理參數(shù)包括：最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、巖石彈性模量、巖石泊松比、巖石抗拉強度、巖石孔隙度、巖石密度、地層原始溫度、巖石滲透率、巖石熱膨脹系數(shù)、巖石導(dǎo)熱系數(shù)、巖石比熱容、巖石非均質(zhì)系數(shù)、巖石傳熱系數(shù)；壓裂液參數(shù)包括：壓裂液黏度、壓裂液密度、壓裂液導(dǎo)熱系數(shù)、壓裂液比熱容、壓裂液溫度；工程參數(shù)包括：井筒直徑和井間距。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，其特征在于，所述步驟3中，熱-流-固多物理場耦合模型方程為：固體力學方程：式中，μ和λ為拉梅常數(shù)；α為biot系數(shù)；α
t
為巖石的熱膨脹系數(shù)；k為巖石的排水體積模量，k＝(2μ+3λ)/3；u
i
和f
i
分別為體力和位移在i方向的分量，其中分別為體力和位移在i方向的分量，其中p
,i
和t
,i
為孔隙壓力和溫度在i方向的分量；-αp
,i
為有效孔隙壓力作用項；-kα
t
t
,i
為熱應(yīng)力項；流體流動方程：式中，ρ
l
為流體的密度；ε
v
為體積應(yīng)變；φ為巖體孔隙率，其中φ0為初始孔隙度，φ
r
為強應(yīng)力狀態(tài)下的殘余孔隙度，α
φ
為孔隙度對應(yīng)力的敏感系數(shù)，為平均有效應(yīng)力；β
l
為流體的壓縮系數(shù)；k為巖體的滲透率；μ
l
為流體的動力黏滯系數(shù)；為梯度算子；為孔隙壓力梯度；q
m
為流體的源匯項；α
l
為流體的熱體積膨脹系數(shù)；為應(yīng)力作用項；為溫度作用項；
傳熱方程：式中，(ρc)
eff
＝ρ
s
c
s
(1-φ)+ρ
l
c
l
φ和λ
eff
＝λ
s
(1-φ)+λ
l
φ分別表征干熱巖的等效體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其中λ
s
和c
s
分別為巖體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，c
l
和λ
l
分別為流體的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；q
t
為對流熱通量，q
t
＝h(t
ext-t)，h為對流換熱系數(shù)，t
ext
為外部溫度；為熱彈性阻尼項，為流速影響的熱對流項；水冷沖擊作用對巖石力學參數(shù)的劣化：彈性模量：e(δt)＝e(t0)(1.348-0.347e
0.00215δt
)抗拉強度：f
t
(δt)＝f
t
(t0)(1.31-0.31e
0.002
δ
t
)式中，e(t0)和f
t
(t0)分別為初始彈性模量和抗拉強度；降溫幅度δt＝t
0-t，t0為巖石壓裂前的初始溫度，t為巖石受水冷沖擊后的溫度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，其特征在于，所述步驟4中，全耦合計算方法為：將干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)和壓裂液參數(shù)代入熱-流-固多物理場耦合模型中，上方和右方分別設(shè)置最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的均布邊界荷載，下方和左方設(shè)置為輥支撐，四周為不透水邊界，圓孔為壓力邊界，四周為絕熱邊界，圓孔為對流熱通量邊界，外部溫度設(shè)置為壓裂液溫度；定義巖石初始滲透壓力為零，初始溫度為儲層溫度，輸入初始注入壓力p
inj
，開始瞬態(tài)計算，得到溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變分布；損傷變量計算方程為：最大拉應(yīng)力準則：f＝σ
t-f
t
(δt)損傷變量d：式中，f為拉應(yīng)力σ
t
和抗拉強度f
t
(δt)的差值，其中抗拉強是關(guān)于降溫幅度δt的函數(shù)；ε
t0
為極限拉應(yīng)變；ε
t
為拉應(yīng)變；根據(jù)最大拉應(yīng)力準則，當巖體單元所受拉應(yīng)力大于抗拉強度時，損傷變量增加，則判定巖石開裂，此時的注入壓力p
inj
即為巖體的起裂壓力。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，其特征在于，所述步驟5中，損傷對各參數(shù)的影響的方程包括：彈性模量：e(d,t)＝(1-d)e(δt)；滲透率：導(dǎo)熱系數(shù)：λ
s
＝λ
s0
exp(d/α
dλ
)；比熱容：
biot系數(shù)：式中，e(d,t)為巖體彈性模量，e(δt)表示水冷沖擊作用對巖石彈性模量的影響；k0為無應(yīng)力狀態(tài)的初始滲透率，α
dk
為描述損傷誘導(dǎo)的滲透率影響因子；λ
s0
和c
s0
分別為巖體的初始導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；α
dλ
為損傷對導(dǎo)熱系數(shù)的影響因子；α
dc
為損傷對比熱容的影響因子；α0是初始biot系數(shù)。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種考慮水冷沖擊作用的干熱巖水力裂縫擴展計算方法，具體為：收集干熱巖地熱儲層的物理參數(shù)、擬注入的壓裂液參數(shù)和工程參數(shù)；根據(jù)工程參數(shù)，繪制擬模擬壓裂的巖體形狀，得到計算域；對計算域添加熱-流-固多物理場，建立相互的耦合關(guān)系，對多物理場耦合模型進行全耦合計算以及損傷變量計算；并計算損傷對各參數(shù)的影響，重復(fù)上述步驟，直到該注入壓力下?lián)p傷變量不再增加；之后再增加注入壓力，進行循環(huán)計算，直至巖體完全破裂即可停止計算。該方法充分考慮了低溫壓裂液注入高溫地層引起的水冷沖擊影響，可準確預(yù)測起裂壓力及儲層水力裂縫擴展形態(tài)，定量地評估水力壓裂施工效果，為增強型地熱系統(tǒng)的壓裂設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和參考。基礎(chǔ)和參考?；A(chǔ)和參考。
