《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Efficient hydro-mechanical coupling method for modeling fracture propagation in poroelastic rocks using displacement discontinuity method and embedded discrete fracture model
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许多地下储层改造应用涉及复杂且高度耦合的物理过程，亟需稳健高效的数值模拟手段。本研究提出了一种新型工作流，将位移不连续法(DDM)与嵌入式离散裂缝模型(EDFM)相集成，用于模拟多孔弹性介质中的裂缝扩展。研究人员的主要创新点在于开发了一种新的基本解，该解利用半
许多地下储层改造应用涉及复杂且高度耦合的物理过程，亟需稳健高效的数值模拟手段。本研究提出了一种新型工作流，将位移不连续法(DDM)与嵌入式离散裂缝模型(EDFM)相集成，用于模拟多孔弹性介质中的裂缝扩展。研究人员的主要创新点在于开发了一种新的基本解，该解利用半解析框架量化了沿裂缝面的压力诱导应力。相较于传统的数值模拟，该方法在计算精度与计算速度之间实现了卓越的平衡。经过基准测试验证，所开发的工作流展现了合理的精度与卓越的计算效率。研究人员将该工作流应用于考虑滤失诱导多孔弹性应力变化及储层亏空诱导裂缝偏转的多簇、多井二维裂缝扩展模拟。该工作流成功捕捉了相邻裂缝间的瞬态多孔弹性效应，填补了现有方法的空白。此外，该工作流能够在数秒内高效模拟超过100,000个网格块，使其适用于油田尺度的工程问题。该模型在模拟裂缝驱动相互作用问题上具有广阔的应用前景，例如父-子井压裂及多井协同开发。当前的实现基于均质、各向同性的储层及二维设定。将其扩展至非均质、各向异性及三维(3D)问题是未来自然的研究方向。
论文解读
研究背景与意义
低渗透储层（如增强型地热系统(EGS)与页岩储层）的成功开发在很大程度上得益于水力压裂技术的进步。为了更好地理解并优化水力压裂作业，数值模拟已成为强有力的工具。位移不连续法(DDM)作为一种间接边界元法，因无需对基质岩石进行离散而具备极高的计算效率，在处理大规模实际问题时优势显著。然而，传统DDM在模拟水力压裂时面临诸多挑战，特别是难以准确考虑耦合的水-力( hydro-mechanical, HM)效应。在压裂过程中，注入流体渗入基质会导致孔隙压力变化，进而引起多孔弹性应力改变，影响裂缝扩展；同时，邻井生产导致的储层亏空会改变主应力方向，导致子井裂缝发生偏转。现有的商业软件或未能充分考虑这些耦合机理，或在处理多相流及复杂几何形态时存在局限。为此，本文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，旨在开发一种高效且精确的水-力耦合工作流，以解决上述难题。
关键技术方法
研究人员开发了一种顺序耦合工作流，集成了三个核心模块。首先，采用位移不连续法(DDM)进行裂缝扩展的力学模拟，将水力裂缝离散为若干单元并计算其引起的应力场。其次，引入嵌入式离散裂缝模型(EDFM)处理复杂的流体流动，裂缝作为内边界嵌入储层网格中，能够高效模拟任意方位和几何形态的裂缝与基质间的流体交换（滤失）。最后，推导了一种半解析应力解，用于计算由基质压力场变化在裂缝面上诱导产生的平均应力。该解本质上是泊松方程的格林函数，将力平衡方程解耦为三个独立的方程，通过卷积运算求得应变场并转换为应力场。整个工作流在每个时间步内交替运行DDM和EDFM模块，并将EDFM计算出的压力场代入半解析解更新应力场，再反馈给DDM进行下一时间步的裂缝扩展预测。
研究结果
模型验证
为确保工作流的可靠性，研究人员进行了分模块与整体的严格验证。通过与KGD模型的对比，验证了DDM模块在无滤失条件下模拟裂缝几何形态的准确性，平均相对误差低于5%。通过与Segall半解析解的对比，验证了新推导的压力诱导应力解在轴对称情况下的准确性，各应力分量平均相对误差低于1%。通过与开源多物理场模拟器TOUGH-FLAC及有限元模拟器GEOS的对比，分别验证了预置裂缝闭合过程中的水-力耦合行为以及裂缝扩展长度的准确性，误差均在5%以内。此外，计算效率显著提升，例如在GEOS基准测试中，相同计算节点上本程序仅需17.6秒，远快于GEOS的230秒。
应用案例1：相邻两条裂缝的扩展
该案例研究了同一级段内两条相邻裂缝的同步扩展。结果表明，由于相互的应力干扰（应力阴影效应），裂缝对形成了蝴蝶状形态。高渗透率（5 mD）情况下的裂缝比低渗透率（1 mD）情况更短。这归因于两个重叠机制：更高的渗透率导致更多的滤失量，降低了缝内净压力；同时，渗入基质的流体引发更强的多孔弹性应力变化，产生了“反向应力”效应进一步抑制裂缝扩展。值得注意的是，虽然渗透率影响了裂缝长度，但由于滤失在裂缝两侧对称发生，并未显著改变裂缝的形态模式。
应用案例2：父-子井干扰下的裂缝驱动相互作用(FDI)
该案例模拟了生产母井亏空对子井裂缝扩展的影响。结果显示，在非均匀初始压力场下，子井裂缝倾向于向母井裂缝方向偏转，这是由于主应力场的重新定向所致。此外，第一阶段压裂的裂缝普遍长于第二阶段，因为第二阶段不仅受母井FDI效应影响，还受到第一阶段已压裂缝应力阴影效应的抑制。研究还对比了EDFM与经典Carter一维滤失模型，发现Carter模型无法反映母井生产导致的压力降低，会高估裂缝长度，证明了在复杂压力分布（如FDI）案例中采用EDFM模型的必要性。
应用案例3：多相滤失下的裂缝扩展
该案例结合油水两相流模型（Corey相对渗透率），研究了注入水进入含油储层时的多相滤失诱导应力。结果表明，饱和度变化局限于裂缝面附近，而压力扩散范围更远，诱导应力的波及范围最大。垂直于裂缝面的应力显著降低，意味着注入水降低了有效应力，从而使考虑多孔弹性效应的裂缝更长。最小主应力的分布形态与裂缝面一致，表明滤失诱导应力主要影响相邻子井裂缝的方向，而不改变母井裂缝自身的扩展方向。
讨论与结论
本文提出的DDM-EDFM耦合工作流通过半解析应力解，成功解决了传统DDM难以处理多孔弹性效应的瓶颈。研究结论表明，该模型能够准确捕捉压力诱导的应力变化，滤失诱导应力增强了同时扩展裂缝间的应力阴影效应，且压力的局部变化会引发长程的应力变异，进而影响邻井几何形态。该工作流计算效率极高，可应用于油田尺度的裂缝驱动相互作用研究。尽管当前模型基于均质、各向同性及二维假设，但其半解析解具有通用性，未来可便捷地扩展至三维、非均质及各向异性储层，并在处理天然裂缝网络交互方面展现出巨大潜力。
