1、技术简介：

油气钻井岩石破碎的根本是裂缝起裂、扩展、连通至岩石体积破碎的过程。因此研究岩石断裂机理对优化破岩方法、提高破岩效率具有重要意义。数值仿真是研究岩石断裂主要方法之一，有限元方法是开展数值仿真常用方法之一，因此这里介绍两种应用ABAQUS有限元软件模拟岩石断裂的方法及成果。

（1）扩展有限元

扩展有限元方法其核心思想是利用扩充带具有不连续性质的形函数来代表计算区域内的间断，因此解决了传统有限元对于间断问题需要不断重构网格或由于网络划分精细造成的计算量大等问题。其在解决裂缝扩展问题时，不但继承了传统有限元的优点，还能大大节约计算时间，提高计算精度。通过扩展有限元方法模拟岩石断裂，可以得到裂缝扩展的动态过程，得到应力强度因子、断裂能等关键参数，分析裂缝起裂方向、起裂角、起裂速度等因素。

（2）COHESIVE单元

ABAQUS有限元软件中模拟断裂的Contour integral和XFEM模块并不能实现纯压载下裂缝的起裂和扩展，且需预设初始裂缝。因此，为实现钻井过程中钻头在钻压作用下压入岩石的断裂过程，基于对ABAQUS软件的二次开发，采用全局嵌入0厚度COHESIVE单元的方式，可实现在压载作用下压头侵入地层裂缝随机裂和扩展的过程模拟，从而实现地层断裂过程的动态仿真。

此外，同样基本对ABAQUS软件的二次开发，以上两种方法均可以实现对断裂特征参数提取，如断裂单元数量、断裂裂缝长度、宽度、断裂体积等。

2、技术性能及指标：

（1）实现岩石断裂动态过程模拟；

（2）扩展有限元方法可实现应力强度因子、断裂能、起裂角、断裂特征参数分析；

（3）COHESIVE单元方法可实现压载下裂缝随机起裂、扩展模拟，可实现断裂特性参数分析。

3、应用前景及经济效益分析：

岩石破碎是油气钻井关键环节之一，岩石断裂机理研究是提高岩石破碎效率，优化破岩方法的关键。因此，基于数值仿真模拟方法实现岩石断裂过程的动态模拟，弄清岩石断裂的根本机理对提高钻进效率具有重要意义。由于岩石断裂与破碎研究是钻井破岩方法与技术研究过程中必不可少的核心环节，因此该技术成果在油气井工程领域具有广泛的应用前景。