مدل سازی هیدرومکانیکی

مدل سازی هیدرومکانیکی کاملاً جفت شده محیط های شکسته چرا از  comsol درمدل‌سازی هیدرومکانیکی استفاده کنیم؟ به طور کلی، دو چالش عمده در مدل سازی فرآیندهای هیدرومکانیکی جفت شده در محیط های شکسته وجود دارد. یکی نمایش ماهیت ناپیوسته رسانه های زمین شناسی است که با شکستگی های طبیعی متعددی تعبیه شده است، که در همه جا در مقیاس های طولی مختلف وجود دارند و اغلب بر رفتار توده ای سیستم تسلط دارند . دوم، محاسبه مکانیسم‌های جفت هیدرومکانیکی است که هم جفت مستقیم (یعنی برهمکنش بین میدان‌های جامد و سیال) و هم جفت غیرمستقیم (یعنی تغییر خواص سنگ/شکست) را شامل می‌شود.

در طول سال‌های گذشته، تعداد زیادی بسته نرم‌افزاری تجاری و کدهای تحقیقاتی منبع باز توسعه یافته‌اند که هدف آنها مقابله با این چالش‌ها است. با این حال، بسیاری از آنها باید معادلات سیال و جامد را با استفاده از حل کننده های مختلف محاسبه کنند، به طوری که جفت شدن باید از طریق یک مرحله پردازش اضافی اجرا شود، که نه راحت است و نه کارآمد. علاوه بر این، اکثر کدهای موجود واقعاً نمی‌توانند هم‌زمان اتصال مستقیم و هم غیرمستقیم را به تصویر بکشند و بنابراین اغلب باید فرضیات یا ساده‌سازی‌هایی انجام شود.

 

استفاده از COMSOL Multiphysics به دلیل قابلیت های استثنایی آن است:

حل همزمان معادلات چند فیزیک برای دستیابی به جفت مستقیم

تعریف پارامترهای مدل به عنوان تابعی از سایر متغیرهای میدان برای دستیابی به کوپلینگ های غیر مستقیم

نشان دادن صریح شکستگی‌های مجزا و حل فرآیندهای فیزیکی (به عنوان مثال، جریان شکستگی و تغییر شکل شکست) در آنها

در زیر، روش‌های ساخت مدل‌های عددی در COMSOL Multiphysics برای مدل‌سازی هیدرومکانیکی کاملاً جفت شده محیط‌های شکسته را توضیح می‌دهیم و به دنبال آن چند نمونه شبیه‌سازی را بیان می‌کنیم.

مدل سازی هیدرومکانیکیCOMSOL Multiphysics

رویه های مدل

سه مرحله اصلی در انجام شبیه‌سازی‌های عددی در COMSOL Multiphysics دخیل است.

مرحله 1: هندسه و مش مدل

اول، شبکه های شکست گسسته که به صورت هندسی به صورت خطوط/پلی خطوط نشان داده می شوند را می توان با استفاده از نرم افزار CAD مانند AutoCAD® یا Rhinoceros® ساخت. سپس داده های هندسی به صورت فایل های DXF™ صادر می شوند که می توانند مستقیماً به COMSOL Multiphysics وارد شوند. این مرحله همچنین می‌تواند در MATLAB® برای تولید شبکه‌های شکست مصنوعی به دنبال توزیع‌های احتمالی تجویز شده و صادرات آنها به DXF™ انجام شود.

نکته: همچنین می‌توانید از افزونه شبکه شکستگی گسسته برای ایجاد شکستگی‌های تصادفی در یک هندسه موجود مستقیماً در داخل COMSOL Multiphysics استفاده کنید، همانطور که در این مثال سه بعدی از مخزن شکسته توضیح داده شده است.

پس از وارد کردن هندسه، ما دامنه را با استفاده از یک شبکه بدون ساختار از عناصر محدود مثلثی (از طریق یک Tessellation Delaunay) گسسته می کنیم، که در آن شکستگی های طبیعی توسط عناصر مشترک تعبیه شده در بین عناصر محدود همسایه نشان داده می شود.

هندسه و مش مدل

مرحله 2: راه اندازی مدل و تعریف ویژگی های مواد، پارامترهای جفت و شرایط مرزی

ما از رابط های مکانیک جامد و قانون دارسی در COMSOL Multiphysics برای مدل سازی فرآیندهای هیدرومکانیکی در محیط های شکسته استفاده می کنیم. ما رابط Poroelasticity را برای دستیابی به جفت مستقیم بین معادلات جامد و سیال فعال می کنیم. ما خواص مواد و معادلات سازنده را هم برای ماتریس سنگ و هم برای شکستگی ها تعریف می کنیم. برخی از خواص سنگ/شکستگی، مانند تخلخل، ذخیره‌پذیری، و نفوذپذیری، به عنوان تابعی از حالت تنش/فشار محلی برای دستیابی به جفت غیر مستقیم تعریف می‌شوند. همچنین شرایط مرزی مکانیکی و هیدرولیکی را تعریف می کنیم.

مرحله 3: محاسبه

مدل را در دو مرحله متوالی اجرا می کنیم. در مرحله اول، سیستم تحت شرایط تنش و فشار درجا به تعادل اولیه (از طریق بارگذاری شیب دار) می رسد. سپس در مرحله دوم پاسخ سیستم را به فعالیت های مهندسی مانند تزریق سیال یا حفاری زیرزمینی شبیه سازی می کنیم.

نمونه های شبیه سازی

مثال 1: تزریق سیال در سنگ های شکسته

ما این مدل را برای شبیه‌سازی رفتار هیدرومکانیکی سنگ‌های شکسته در معرض تزریق سیال اعمال می‌کنیم (مرجع 1). این مدل می تواند به طور واقع بینانه انتشار فشار در محیط متخلخل شکسته و آسیب شکننده و ناشی از شکست در سنگ های دست نخورده و همچنین تأثیر مهم پیکربندی شکست بر فرآیندهای هیدرومکانیکی را به تصویر بکشد (شکل 2). این مدل همچنین به ما اجازه می‌دهد تا تکامل دقیق آسیب، تنش، و میدان‌های فشار را در سنگ شکسته به صورت بصری بررسی کنیم و کنترل اساسی متخلخل را در انتشار آسیب جدید در سیستم بیشتر بررسی کنیم (شکل 3). بر اساس نتایج شبیه‌سازی، ما همچنین می‌توانیم تکامل مکانی و زمانی لرزه‌خیزی ناشی از شکست شکننده سنگ‌های دست‌نخورده و/یا لغزش اصطکاکی شکستگی‌های طبیعی را تحلیل کنیم.

تزریق سیال در سنگ های شکسته

مثال 2: حفاری زیرزمینی در سنگ های شکسته

این مدل همچنین می‌تواند برای شبیه‌سازی اغتشاش ناشی از حفاری در سنگ‌های شکسته و رفتار هیدرومکانیکی گذرا حاصل از آن استفاده شود (مرجع 4). ما تغییرات فشار و انتشار آشکار را در نتیجه فرآیندهای حفاری (برای زمان t = 0-0.1 ساعت) و زهکشی بعدی (برای زمان t = 0.1 تا 20 ساعت) همراه با تغییر تنش و تکامل آسیب (شکل 5) ثبت می کنیم. ما نقش مهم جفت هیدرومکانیکی را با انجام تحلیل حساسیت ضریب Biot نشان می‌دهیم. نتایج نشان می‌دهد که با ضریب Biot بالاتر (یا مثلاً یک جفت قوی‌تر)، حفاری تمایل به ایجاد یک میدان فشار ناهموارتر از طریق poroelasticity و همچنین آسیب‌های سنگ و جابجایی‌های شکستگی بیشتر دارد. مراحل حفاری و زهکشی هر دو باعث ایجاد رویدادهای لرزه ای مربوط به آسیب شکننده ماتریس سنگ و/یا لغزش اصطکاکی شکستگی های طبیعی می شوند.

انجام پروژه comsol

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *