地质岩层中的流体流动过程是许多环境工程和地质工程中的关键问题，例如地下水资源管理、石油/天然气开发、地热勘探、二氧化碳地质封存和核废料处理。不同规模、不同类型天然或人工裂隙（如裂缝、节理和断层）影响和控制裂隙多孔介质中的流体流动。然而，准确模拟真实裂隙网络中的流体流动仍然面临挑战：(1) 裂隙几何的真实表征；(2) 裂隙特性信息的获取。大多数数值模型仅限于简单的平面裂隙或基于统计的随机裂隙网络，其很难准确的描述实际裂隙网络的基本特性 (如非均匀开度，非平面几何形状、裂缝相交等) 。先进的裂隙成像技术，如CT扫描、核磁共振成像、摄影测量等，为更准确描述复杂裂隙提供了新方法。这些精细的几何数字裂隙表示可以更好地定量评估裂隙几何特征和裂缝信息。然而，将这些数字裂隙直接应用于数值模拟仍然面临计算量巨大的困难，特别是图像数据集很大时 (有时超过2000³ 个体素) 。因此，开发一种兼顾准确性和计算效率的数值方法势在必行。

本文提出了一种简单而有效的数值框架来模拟 3D 高分辨率图像获得的裂隙多孔介质中的流体流动，旨在实现计算精度和效率之间的平衡。使用具有隐式裂隙开度的基于单元的离散裂缝基质模型（DFM）对具有复杂裂隙的裂隙多孔岩石进行数值构建。裂隙几何形状、连通性和拓扑特性（例如，非平面形状和可变孔径）在数值模型中得到了很好的保留。采用基于虚拟管网模型的单元中心有限体积法模拟了复杂裂隙多孔介质中的流动（包括基质流、裂隙流以及交换流）。变化的开度和裂隙连通性可以很好地再现裂隙岩体流动的非均质性和各向异性。通过重建实验室规模的真三轴水力压裂页岩样品，并模拟该真实裂隙网络中的流体流动，以展示该模型在具有天然裂缝的水力压裂储层中的潜在应用。

图1 真三轴水力压裂实验，页岩样品数值重构，及流体流动数值模拟

准确的裂隙网络表示和高计算性能是裂隙介质中流体流动模拟的两个主要瓶颈。一般来说，在准确性和计算效率之间存在权衡，即建模准确性的提高会增加模型的复杂性但是增加计算成本。实际工程中，存在从公里到毫米的不同尺度的裂隙，在使用本方法时，需要针对具体的工程需求来平衡计算精确度和计算效率。此外，进一步考虑水-力耦合效应也是本方法未来发展的重要方向。

孙磊，2020年于武汉大学获得博士学位，目前在多伦多大学从事博士后研究工作。他的研究兴趣在于岩石力学和计算力学领域。近期的研究工作致力于开发一款稳定可靠的基于有限元离散元耦合方法 (FDEM) 的THMC耦合模型。近五年发表SCI期刊20余篇。担任IJCST科学编辑、AGER青年编委等。