ABAQUS水力压裂模拟-XEFM-COHESIVE-交叉缝-复杂缝-转向缝-体积缝

关键字：crack，裂纹，断裂，cohesive，XFEM这个问题不大好总结，比较复杂，我能想到什么就说些什么吧，这个任务已经托了很长时间了，抱歉！有新的想法我会更新。

求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。

俩者不是一个概念，断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等；损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。

这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。

如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这个就是基于断裂力学的方法，大家可以参考敦诚版主做的这个例子（一个简单的裂纹模拟例子：/thread-858322-1-1.html），这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等，详细情况可以参考下这个帖子：/thread-821531-1-1.html考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。

debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。

cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等，详细情况可参看yaooay的这个帖子，总结的相当不错！/thread-853029-1-1.html除VCCT（虚拟裂纹闭合技术）和低周疲劳判据外，其他debond技术只能适用于二维模型，所以应用范围受到很大的限制。

VCCT是基于线弹性断裂力学的应变能释放率判据，适用于模拟脆性断裂扩展，且只能沿着事先确定的扩展面扩展，分析前需指定初始裂纹（缺陷），详细信息请查看分析手册11.4.3。

水力压裂拟三维模型数值求解新方法申颍浩;葛洪魁;程远方;夏雨梅;李娜;杨柳【摘要】水力压裂裂缝垂向不对称延伸的拟三维模型比较复杂,需要多重迭代,循环耦合,仅依靠增加迭代运算的层数,不仅运算量过大,过程迭代甚至可能出现发散.对此,将控制缝高的方程组变换为超越方程,引入Steffensen加速收敛求解缝高,大大提高了收敛速度,避免了常规算法中缝高求解的反复试算.此外,裂缝内压力在靠近尖端时急剧下降,整体加密缝长方向上的计算步长程序复杂度大大提高.采用变步长的龙格库塔方法求解压降控制方程,使得计算步长随着压裂液流动的摩阻大小自动调整,不仅降低了程序复杂度,而且步长疏密度还可以直观展示压裂液流动的沿程摩阻变化趋势.运算结果证明,新的计算思路降低了压裂裂缝拟三维模型数值求解的复杂度,有一定的理论研究价值.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)026【总页数】5页(P219-223)【关键词】水力压裂;拟三维;变步长;龙格库塔【作者】申颍浩;葛洪魁;程远方;夏雨梅;李娜;杨柳【作者单位】中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249;中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;大庆油田化工集团东昊油气处理分公司,大庆163453;中海油研究总院,北京102249;中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE357.1近几年，压裂技术获得了极大的发展，已经从常规的单井压裂发展到开采页岩气、致密气藏的水平井多级压裂;裂缝形态也从单一的双翼裂缝变成形态更加复杂的T型缝、缝网等。

水力裂缝形态的数值计算依然是水力压裂领域的研究重点和核心［1—3］。

国内，以张士诚、赵金洲、陈勉等学者为代表，相对系统的研究了裂缝力学扩展机理和裂缝延伸数值模拟。

薛炳、马新仿、胡永全、任书泉、郭建春等学者在三维裂缝的扩展方面进行了大量的研究工作。

abaqus帮助文档水力压裂例子inp文件解释10.1.5-副本（53）预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制**约束底面单元u3=0*Amplitude, name=volumerate振幅，名称=volumerate0.0,0.0, 200.0,-1.0**时间或频率，幅值1；时间或频率，幅值2**STEP ----------------------------------------------------------------**** STEP: Step-1***Step, name=Step-1, nlgeom=YES, unsymm=YESNlgeom选择ON表示计算中加入几何非线性。

材料力学和弹性力学的一项基本假设是材料的位移与应变关系是线性的,且应变为小量,即几何关系是线性的,属于小变形问题。

UNSYMM:设置UNSYMM=YES表明使用非对称矩阵存储求解。

设置=NO表明使用对称矩阵存储求解。

该参数的默认值依赖于模型和求解序列*Geostatic**初始应力平衡**** LOADS加载**** Name: Load-1 Type: Pressure名称：Load-1 类型：Pressure*Dsload_PickedSurf260, P, 42000.**顶面施加42000的垂向压力：表面名，分布载荷类型标签，参考载荷大小** Name: Load-2 Type: Body force名称：Load-2 类型：Body force（体力）*Dload_PickedSet8, BZ, -20.**所有单元施加向下的分布力20** Name: Load-3 Type: Pressure*Dsloadwell_bore, PNU, 1.**井筒上的分布载荷，user-defined？井眼，PNU,1***Boundary,user**边界，在子程序disp中定义**_PickedSet5, 8, 8, 1TOP, 8, 8, 1**顶面所有点，8,8——孔隙压力（或静水压），变量大小BOT, 8, 8, 1**底面所有点**。

径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展数值模拟刘晓强;曲占庆;郭天魁;田启忠;吕玮【摘要】径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是一项新兴的油气增产技术,已在低渗透油田中进行了先导性应用.为明确不同因素对径向井引导裂缝扩展的影响,利用ABAQUS扩展有限元法建立了径向井辅助水力压裂模型,采用导向因子作为评价指标对各影响因素进行分析,并通过物理模拟实验进行了验证.结果表明:径向井对裂缝的扩展起到一定的引导作用,裂缝首先沿径向井方向起裂并扩展,然后逐渐向最大主应力方向偏转;径向井方位角、水平地应力差和压裂液排量是影响径向井引导裂缝扩展的3个主要因素;径向井方位角小于45°,水平地应力差小于6 MPa时,径向井具有明显的引导裂缝扩展效果;径向井对裂缝扩展的有效引导需要满足一定的排量,排量太小会导致裂缝过早向最大主应力方向偏转;杨氏模量和压裂液黏度主要影响裂缝长度和宽度,泊松比的变化对引导裂缝扩展影响不大;物理模拟实验和数值模拟结果得到的径向井引导裂缝扩展形态趋于一致,证明了数值模型的准确性.该研究为径向井辅助水力压裂技术的发展提供了技术支撑.【期刊名称】《特种油气藏》【年(卷),期】2018(025)005【总页数】7页(P156-162)【关键词】径向井;水力压裂;裂缝扩展;流-固耦合;ABAQUS扩展有限元法【作者】刘晓强;曲占庆;郭天魁;田启忠;吕玮【作者单位】中国石油大学(华东),山东青岛 266580;中国石油大学(华东),山东青岛266580;中国石油大学(华东),山东青岛 266580;中国石化胜利油田分公司,山东东营257000;中国石化胜利油田分公司,山东东营 257000【正文语种】中文【中图分类】TE9280 引言径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是近年发展起来的一项新的油气增产技术，已在中国部分低渗透油气田中进行了先导性应用[1-3]。

目前，部分学者对径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展进行了初步探讨。

复合材料模型建模与分析1. Cohesive单元建模方法1。

1 几何模型使用内聚力模型(cohesive zone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域加入cohesive 层。

建立cohesive层的方法主要有：方法一、建立完整的结构（如图1（a)所示）,然后在上面切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这种方法建立的cohesive单元与其他单元公用节点,并以此传递力和位移.方法二、分别建立cohesive层和其他结构部件的实体模型，通过“tie”绑定约束,使得cohesive单元两侧的单元位移和应力协调，如图1（b)所示。

（a）cohesive单元与其他单元公用节点 (b）独立的网格通过“tie"绑定图1.建模方法上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效，第一种方法划分网格比较复杂；第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“tie"很繁琐;因此在实际建模中我们应根据实际结构选取较简单的方法。

1.2 材料属性应用cohesive单元模拟复合材料失效，包括两种模型：一种是基于traction-separation描述；另一种是基于连续体描述。

其中基于traction-separation描述的方法应用更加广泛.而在基于traction—separation描述的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型。

它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低软化阶段. 注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移,因此线弹性段的斜率代表的实际是cohesive单元的刚度。

曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。

因此在定义cohesive的力学性能时,实际就是要确定上述本构模型的具体形状：包括刚度、极限强度、以及临界断裂能量释放率,或者最终失效时单元的位移。

常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确定了cohesive的本构模型。

油井的水力压裂该示例说明了使用孔隙压力内聚元模拟油井钻孔附近水力诱发裂缝的产生和开启。

使用本节中介绍的技术，您可以评估水力压裂过程对井筒生产率的定量影响。

问题描述水力压裂工艺通常用于石油和天然气储层的生产中，作为提高油井生产率和延长储层使用寿命的一种手段。

水力压裂治疗的目标是创造更多暴露于含烃岩石的表面积，以及提供高传导性的途径，使碳氢化合物容易流到井筒。

水力压裂的油井或气井的生产率直接与裂缝的程度以及井眼与裂缝的连接程度有关。

一些岩层包含自然裂缝系统，只要所产生的水力裂缝可以增长并与这些自然裂缝相交，就可以进一步提高油井的生产率。

水力压裂作业包括在非常高的压力下将流体泵入井中，以便在井眼表面上产生的牵引力降低岩石中的原地（压缩）应力，从而使岩石破裂。

一旦在岩层中引发裂缝，在有足够的液压油的情况下，有可能将裂缝传播相当长的距离，有时甚至达到一百米或更长。

执行断裂作业是一项复杂的操作。

在大多数情况下，在压裂作业期间将泵送几种不同类型的流体（阶段）。

抽水阶段初始阶段通常涉及泵送少量的含聚合物的流体，通常为1–20桶（0.15至3.2立方米），以便可以收集有关压裂地层所需压力和流体速率的数据。

从裂缝“泄漏”到岩石的孔隙中。

收集的数据用于计划作业的后续阶段。

这项工作的主要阶段可能包括从一百桶到几千桶的液压油。

该阶段的大小由目标裂缝大小，泄漏率和泵的容量（速率）确定。

在压裂作业的下一个阶段，将称为支撑剂的固体材料添加到注入的流体中，并带入压裂体积中。

在压裂作业的每个阶段，将化学药品（通常是聚合物）添加到流体中，以在流体中产生必要的特性（粘度，渗漏，密度）。

在工作的最后阶段，将化学药品泵入裂缝中，这有助于分解先前阶段中使用的聚合物，并使流体更容易流过裂缝而又不会破坏支撑剂材料。

几何模型在此示例中考虑的问题的范围是一个50 m（1969英寸）厚的含油岩石圆形切片，并模拟了井眼孔。

该域的直径为400 m（15,748英寸）。

Abaqus裂纹模拟⼼得（ContourIntegral不是XFEM）Abaqus裂纹模拟⼼得（Contour Integral不是XFEM）最近由于项⽬需要，做了⼀些裂纹相关的模拟，在此把⼀些⼼得体会贴到论坛上与⼤家分享，如有不当之处，欢迎⼤家指正！本帖主要侧重于介绍裂纹定义过程中各个选项的意义，具体的操作过程论坛⾥已经有⾼⼿做了很好的教程，⾄于断裂⼒学理论推荐⼤家看⼀下沈成康写的《断裂⼒学》⼀书。

裂纹的定义和输出需要⽤到interaction模块和step模块：⼀、Interaction模块1.1 预制裂纹（步骤：菜单/special/crack/assign seam）注意：并不是作裂纹分析都要定义seam，如果你的裂纹不是⼀条缝，⽽是⼀个缺⼝，则不需要assign seam，直接⾛下⼀步（定义裂纹）就⾏。

1.2 创建裂纹（步骤：菜单/special/crack/create，type：contour integral）—crack front：crack front是⽤来定义第⼀围线积分的区域，2D下我们可以选择包围裂尖点的⾯，3D则选择包围裂尖线的⾯；另外还有⼀种定义crack front的⽅法，就是直接选择裂尖点（2D）或裂尖线3D），⽤这个⽅法定义crack front不需要再定义下⼀步的crack tip/line，⽐较简便，两种⽅法算出的结果没有明显的差别，其实只是影响积分路线的问题，但是J 积分值是路径⽆关的，看个⼈喜好吧—crack tip/line：这个⽐较好理解就是裂尖点（2D）或线（3D），如果我们在上⼀步中⽤⽅法⼆定义crack front，这⼀步就直接跳过了—crack extension direction（定义裂纹扩展⽅向）：这⾥定义的其实是⼀个虚拟的裂纹扩展⽅向，定义了这个参考⽅向后，我们才能通过输出的⾓度判断裂纹扩展⽅向，可以通过两种⽅法：o q vector：输⼊⼀个⽅向，⽤来作为计算裂纹的扩展⽅向的参考⽅向；o normal to crack plane：crack plane表⽰裂纹的对称⾯（当裂纹在⼀个平⾯内时，可能需要分开定义多个裂纹），这种⽅法下我们只需定义裂纹⾯的法线⽅向，通过（t表⽰裂纹尖端的切线）, 会在每个节点得出⼀个q⽅向（如下图）；o 注意：q的⽅向对输出的应⼒强度因⼦，J积分等都会有影响，⼀般情况下，q最好在裂纹平⾯内，且垂直于裂尖线的切线，否则算出的应⼒强度因⼦，J积分值等等在不同围线积分中会差别较⼤。