Phase‐Field Simulation of Hydraulic Fracturing by CO2, Water and Nitrogen in 2D and Comparison With Laboratory Data

水力压裂 断裂(地质) 计算机模拟 油页岩 石油工程 机械 地质学 氮气 材料科学 岩土工程 环境科学 化学 物理 古生物学 有机化学
作者
Yixuan Feng,Kjetil B. Haugen,Abbas Firoozabadi
出处
期刊:Journal Of Geophysical Research: Solid Earth [Wiley]
卷期号:126 (11) 被引量:18
标识
DOI:10.1029/2021jb022509
摘要

Abstract Hydraulic fracturing of tight subsurface formations has mainly been conducted using water. Waterless hydraulic fracturing by CO 2 may have advantages over fracturing by water. The challenge has been numerical simulation of the process. In this work, we conduct a comprehensive study on 2D hydraulic fracturing simulation by water, CO 2 , and nitrogen. The simulations are based on the phase‐field; the results are compared with the lab data. We first present advances in simulation of fluid exchange between the fractures and the rock matrix. The conventional nodal‐based finite element method may give rise to unphysical negative pressure around the tip and fracture notch. We demonstrate that the mixed hybrid finite element method gives non‐negative pressure distribution. Next, we examine the effect of inertial term on fracture configuration and observe branching by CO 2 under dynamic formulation with a low critical energy release rate. Lastly, we find from our simulations that in shale rocks, the critical energy release rate is the lowest for CO 2 , followed by nitrogen, and then water. Consequently, CO 2 provides the highest fracture surface area and fracture intensity. In a sandstone sample we find nitrogen has a lower energy release rate than water. As a result, the fracture surface area is higher for nitrogen than water. Our simulation results confirm that the phase‐field method may incorporate fluid‐rock surface free energy without the need for various parameter adjustments.
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