基于ABAQUS的VUEL扩展有限元法模拟水力压裂_王涛

基于ABAQUS的VUEL扩展有限元法模拟水力压裂

王涛1 柳占立 庄茁

（清华大学航天航空学院， 100084）

摘要 本文基于abaqus的显式子程序vuel，采用扩展有限元方法，实现了对于水力压裂过程的模拟。通过在常规的C3D8单元中引入扩充的自由度，实现了在单元内引入不连续的位移场，来达到模拟水力压裂裂纹的目的，而无需像传统的重分网格法那样在裂纹的扩展过程中重画网格。我们在传统扩展有限元法的基础上进行改进，引入虚拟节点，从而可以在显式方法中简化处理基于单元的裂纹。由于采用了虚拟节点法，可以在扩充的8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制，极大地提高了程序的运行效率。

关键词：扩展有限元法，VUEL，水力压裂, 虚拟节点法

一、 简介

水力压裂自上世纪五六十年代就被提出并加以应用了，然而，由于技术上和设备上

的缺陷，水力压裂技术一直处于缓慢的发展阶段，无法给工业上带来有效的经济效益，因而不能在商业模式下采用。直到近几年水力压裂技术以及其他一些方面的技术上的突破，才使得水力压裂技术被广泛采用了。

由于水力压裂技术在工程中的重要应用，以及计算机数值模拟技术的迅猛发展，水力压裂技术的计算机模拟成为了一个研究水力压裂过程的主要的和非常有效的手段。近年来，人们对水力压裂过程进行了大量的数值模拟，很好地指导了实际工程中的压裂作业，带来了一定的经济效益。

本文首先在ABAQUS中开发了一套建立水力压裂模型的插件，可以快速的生成裂纹网络模型并得到满足ABAQUS的vuel程序要求的inp文件和裂纹信息。插件界面如图1。

图1 生成复杂裂缝网络的abaqus插件界面

采用扩展有限元方法，引入扩充自由度来模拟位移场的不连续性[1]。并运用虚拟节 1

报告人简介：1990.2-，计算固体力学，研究生：wangtao3924@163.com

点法来重组扩展有限元的基本格式，使得离散方程在空间上的积分可以采用一点积分和沙漏控制。实现水力压裂的模拟，模拟结果如下：

图2、压裂过程中裂纹的扩展云图

二、 结论

本文采用扩展有限元方法在ABAQUS中实现了水力压裂裂缝扩展的过程，模拟结

果说明了方法的有效性。

参 考 文 献

[1] Song J H, Areias P, Belytschko T. A method for dynamic crack and shear band propagation

with phantom nodes[J]. INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING, 2006,67(6):868-893.