[论文解读] ResFrac Technical Writeup

Mark McClure, Charles A. Kang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2018

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis参考文献 71被引用 14

一句话总结

ResFrac 是一个综合性的压裂模拟框架，整合了多相流、支撑剂运移、非牛顿流体添加剂、热传导以及地质力学效应（如应力阴影效应和孔隙-热-弹性响应）。它采用光滑过渡模型描述裂缝开启与闭合状态之间的转换，通过数值模拟验证了在复杂储层条件下具有高精度。

ABSTRACT

ResFrac is a combined hydraulic fracturing, reservoir, and hydraulic fracturing simulator. It describes multiphase fluid flow (black oil or compositional), proppant transport, transport of non-Newtonian fluid additives, and thermal transport. It also includes stress shadowing from fracture propagation and porothermoelastic responses from pressure change in the matrix. It uses constitutive equations that smoothly transition between equations for flow through an open crack to flow through a closed crack (with or without proppant). This document provides a detailed technical description of the code, along with validation simulations to confirm numerical accuracy.

研究动机与目标

• 开发一个统一的模拟框架，用于模拟压裂全生命周期，包括流体流动、支撑剂运移和地质力学反馈。
• 通过在流动通过开启裂缝与流动通过闭合、支撑裂缝之间平滑插值的本构模型，精确捕捉裂缝开启与闭合状态之间的过渡。
• 引入热传导与孔隙-热-弹性效应，以反映压力和温度变化对储层应力与裂缝行为的影响。
• 通过与解析解和成熟模型对比的基准模拟，验证模拟器的数值精度。

提出的方法

• 模拟器采用有限元法进行空间离散化，并使用隐式时间积分求解多相流、支撑剂运移与热传导的耦合方程。
• 采用统一的裂缝流动公式，可平滑过渡至开启裂缝与闭合裂缝状态（包括支撑与未支撑状态）。
• 流体流动的本构模型考虑了裂缝闭合与支撑剂堆积引起的渗透率变化，从而实现对流动阻力的真实反映。
• 采用剪切变稀的流变定律（如幂律模型）对非牛顿流体添加剂进行建模，以模拟注入过程中的复杂流体行为。
• 通过位移不连续法与耦合应力-弹性方程捕捉裂缝扩展引起的应力阴影效应。
• 热传导通过与流体流动和机械变形耦合的能量守恒方程进行建模，实现对温度驱动的孔弹性效应的模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同支撑剂浓度和流体粘度条件下，ResFrac 能在多大程度上准确模拟裂缝从开启到闭合状态的过渡？
• RQ2 非牛顿流体流变特性对复杂储层几何条件下裂缝扩展与支撑剂运移的影响如何？
• RQ3 应力阴影效应对多条压裂裂缝在储层中的分布与几何形态影响有多大？
• RQ4 在瞬态压力与温度变化下，模拟器对热与孔弹性响应的再现能力如何？
• RQ5 ResFrac 的数值实现是否能在涉及耦合流动、运移与力学的基准模拟中达到高阶精度与稳定性？

主要发现

• 在基准模拟中，模拟器表现出高数值精度，其收敛速率与流动和力学问题的理论预期一致。
• 开启与闭合裂缝状态之间的平滑过渡确保了在广泛支撑剂浓度与闭合压力范围内的稳定且物理解释一致的模拟。
• 支撑剂运移模拟结果与理想化裂缝几何条件下的解析解高度一致，尤其在捕捉支撑剂沉降与分布剖面方面表现良好。
• 引入热传导与孔隙-热-弹性效应后，能够真实预测由温度与压力瞬变引起的应力变化。
• 应力阴影效应被准确捕捉，显示出对多裂缝压裂中裂缝间距与再激活的显著影响。
• 与已发表的实验与现场数据对比验证表明，该模型能够准确再现关键压裂现象，包括裂缝扩展、支撑剂分布与压力响应。