基于黏聚型裂纹本构方程的煤岩水力压裂多场耦合模型及数值算法研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51904202
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0404.矿山开采基础理论
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Hydraulic fracturing is a widely used technology for coalbed methane exploitation. Coals exhibit evident ductile failure characteristics, which have significant effects on crack propagation laws and crack network patterns. The main source of ductile failure of coals is the damage of fracture process zones ahead of crack tips, so the multiphysics models of hydraulic fracturing in coals should take into account the influence of fracture process zones. Combining laboratory experiments and theoretical analysis, the project will utilize the interface damage mechanics to construct the cohesive crack constitutive models for the failure laws of fracture process zones of coals, revealing the laws and mechanisms of ductile fracture of coals. Secondly, through theoretical analysis the multiphysics model of hydraulic fracturing in coals based on the cohesive crack constitutive model will be established, which is able to clarify the interaction between fracture process zones and solid skeleton deformation, seepage flow in pores/cracks, leakage, etc. Thirdly, through the improvement of phase field methods in computational fracture mechanics, a numerical algorithm will be developed and implemented to simulate crack initiation, propagation, branching and merging, clarifying the laws of the complex crack network in hydraulic fracturing in coals. Finally, laboratory experiments of hydraulic fracturing in coals will be conducted using large size coal samples subjected to tri-axial loading, in order to verify or modify the theoretical models. The project can provide the theoretical basis for hydraulic fracturing in coals, and promote the efficiency and safety of coalbed methane exploitation.
水力压裂是开采煤层气的重要技术手段。煤岩呈现明显的韧性破坏特征,对裂纹的起裂扩展规律和缝网形态有关键影响。煤岩韧性破坏的主要原因是裂纹尖端局部区域(断裂过程区)的渐进损伤,因此煤岩水力压裂的多场耦合模型需要充分考虑断裂过程区的作用。本项目拟通过实验研究和理论分析,采用界面损伤力学,针对煤岩断裂过程区的破坏规律建立黏聚型裂纹本构方程,揭示煤岩韧性断裂的规律及机理;通过理论分析,构建基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合模型,阐明断裂过程区的损伤与固体骨架变形、孔裂隙渗流、压裂液滤失等物理机制的相互作用;改进计算断裂力学中的相场法,发展数值算法,编制程序,对裂纹的起裂、扩展、分叉、融合进行数值模拟,揭示煤岩水力压裂复杂缝网形成的规律;进行煤岩的大尺寸真三轴水力压裂实验,验证和修正理论模型。本项目可以为煤岩水力压裂提供理论基础,促进煤层气的高效安全绿色开采。

结项摘要

水力压裂是开采煤层气的重要技术手段。煤岩断裂过程区的渐进式损伤导致了煤岩的韧性破坏,对水力裂缝的起裂扩展规律和缝网形态有重要影响。本项目采用不同煤阶煤岩进行了紧凑圆盘张拉实验和贯通剪切实验,基于PPR模型对煤岩断裂过程区建立了I/II复合型断裂的黏聚型裂纹本构;将黏聚型裂纹模型代入断裂力学控制方程组,进行煤岩三点弯曲梁的数值模拟,并通过对比数值模拟和物理实验结果,验证了黏聚型本构模型;将煤岩制备成半圆盘试件,并分别采用N2和CO2施加围压,通过三点弯曲实验研究了不同围压下的断裂韧度变化规律;耦合黏聚型裂纹本构、裂隙流方程以及岩石骨架变形方程等,构建了煤岩水力压裂多场耦合方程组;通过自编程序和有限元软件二次开发实现了等几何边界元法、相场法等数值算法,对煤岩水力压裂规律进行了模拟和分析;进行了三轴压裂物理实验,研究了水平应力差、注液速率、压裂液黏度、界面力学特性等因素对裂缝形态的影响,本项目的研究成果有助于深入理解煤岩韧性破坏规律,为煤岩水力压裂提供理论支持。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
An enriched Bernstein–Bézier finite element method for problems with sharp gradients or singularities
针对尖锐梯度或奇点问题的丰富 Bernstein-Bézier 有限元方法
  • DOI:
    10.1016/j.advengsoft.2022.103091
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Advances in Engineering Software
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Xuan Peng;Haojie Lian;Gang Shen;Yong Yang;Chao Zheng
  • 通讯作者:
    Chao Zheng
Intrinsic extended isogeometric analysis with emphasis on capturing high gradients or singularities
本质扩展等几何分析,重点是捕获高梯度或奇点
  • DOI:
    10.1016/j.enganabound.2021.09.022
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Engineering Analysis with Boundary Elements
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Xuan Peng;Haojie Lian;Zhenwu Ma;Chao Zheng
  • 通讯作者:
    Chao Zheng
基于显式几何更新算法的地下管道自动形状优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王中王;武鹏飞;赵娟;陈磊磊;廉浩杰
  • 通讯作者:
    廉浩杰
Experimental study on the influencing factors of hydraulic fracture initiation from prefabricated crack tips
预制裂纹尖端水力裂缝起裂影响因素试验研究
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2021.107790
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Zhenghe Liu;Jun Yang;Lusheng Yang;Xiaokai Ren;Xuan Peng;Haojie Lian
  • 通讯作者:
    Haojie Lian
Experimental Study of Supercritical CO2 Fracturing Across Coal-Rock Interfaces
煤岩界面超临界CO2压裂实验研究
  • DOI:
    10.1007/s00603-022-03070-9
  • 发表时间:
    2022-09-22
  • 期刊:
    ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    He, Wei;Lian, Haojie;Song, Xiaoxia
  • 通讯作者:
    Song, Xiaoxia

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其他文献

基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    煤炭学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    梁卫国;杨健锋;廉浩杰;王志勇;沈文豪
  • 通讯作者:
    沈文豪
煤岩组合体跨界面压裂及声发射响应特征试验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    岩石力学与工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    姜玉龙;梁卫国;李治刚;廉浩杰;武鹏飞;耿毅德;姚宏波
  • 通讯作者:
    姚宏波
砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    煤炭学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘正和;杨录胜;廉浩杰;冯增超;杨栋
  • 通讯作者:
    杨栋

其他文献

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基于“本构点云”数值模型的煤岩水力压裂韧性破坏及缝网形成机理研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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