基于FLUENT的支撑剂裂缝内输送沉降模拟

根据水力压裂中的支撑剂缝内输送沉降模型,利用计算机流体动力学软件FLUENT对支撑剂在裂缝内的输送沉降进行数值模拟。得到了支撑剂的速度和浓度分布情况,以及支撑剂颗粒轨迹图,表明了支撑剂在输送过程中初始速度较快,随着时间的延续,速度便逐渐接近平衡状态;近井眼及裂缝底部的区域浓度较高,且在水平方向上支撑剂浓度越来越小;整个输送过程中,支撑剂黏度是不断降低的。模拟结果为水力压裂施工中支撑剂在裂缝中的输送沉降提供了一定的参考。     

压裂支撑剂在迂曲微裂缝中输送与分布规律

支撑剂在水力裂缝中的分布是影响压裂井产能的重要因素。通过对任意长度、孔隙度、迂曲度和方位角微裂缝的二维重构，利用COMSOL Multiphysics中的自由与多孔介质流动耦合模型，对压裂液在微裂缝中流动及向基质中滤失的情况进行模拟，在考虑支撑剂与压裂液相互作用的基础上，分析了支撑剂颗粒在输送过程中的受力情况，研究了不同砂比和支撑剂密度的情况下，支撑剂在迂曲微裂缝中的分布。研究结果表明，与规则裂缝相比，由于迂曲微裂缝壁面不规则，支撑剂不会均匀推进；在高砂比情况下，支撑剂大部分堆积在迂曲裂缝端部，无法有效支撑深部裂缝；降低砂比可以有效改善单条裂缝的支撑剂分布；不同砂比和支撑剂密度的组合可以改善相交裂缝的支撑剂分布，但是对于单条裂缝的作用不明显。     

水力压裂支撑剂输运室内模拟方法研究进展与展望

水力压裂过程中支撑剂在水力裂缝内的输送情况对裂缝的导流能力具有显著影响,通过室内实验装置模拟支撑剂在裂缝中的输送对实现支撑剂的高效铺置,降低水力压裂施工风险、提高压裂施工效果具有重要的意义。本文详细介绍和评述了研究支撑剂输运的室内模拟方法、装置以及研究成果对现场的指导作用。研制具有分支缝的耐高温高压可视化大型室内实验模拟装置是未来支撑剂输运模拟研究领域的重要发展方向。     

非常规油气储集层粗糙压裂裂缝内支撑剂运移机理

基于分形插值理论建立了具有粗糙壁面裂缝的生成方法，同时考虑颗粒-颗粒、颗粒-壁面、颗粒-流体的相互作用，建立了基于计算流体力学（CFD）-离散单元法（DEM）耦合的支撑剂-压裂液两相流动模型。经实验数据的检验，证实该模型可以较好地匹配粗糙裂缝内支撑剂的运移情况及堆积过程。经多个方案的数值模拟研究表明：与光滑平板裂缝相比，支撑剂在粗糙裂缝内输送，壁面粗糙凸起会显著影响支撑剂的运移与沉降，裂缝模型的粗糙程度越高，裂缝入口附近的支撑剂颗粒沉降速度越快，其水平运移距离越短，越倾向于在裂缝入口附近堆积，并在较短时间内形成缝内砂堵。裂缝壁面粗糙度在一定程度上可控制流体的运移路径，改变支撑剂填充裂缝的方式，一方面粗糙壁面凸起抬升了支撑剂运移轨迹，使支撑剂流出裂缝，导致覆盖率减小；另一方面携砂液易在粗糙壁面凸起接触点附近发生转向流动，可在一定程度上扩大支撑剂覆盖范围。     

非常规储层压裂支撑剂输送实验及数值模拟研究进展

非常规油气已经成为保障能源安全的重要支柱,而大规模水平井体积压裂技术是非常规油气经济开发的关键手段。由于压裂液、支撑剂、泵注排量等施工参数与常规压裂之间存在差异,大规模体积压裂过程中支撑剂输送铺置规律呈现完全不同的特征。文章从寻求非常规储层压裂支撑剂输送过程的典型特征出发,梳理了近年来国内外支撑剂输送实验和数值模拟的理论研究成果,阐述了单缝和复杂缝网中支撑剂输送、铺置、分流等规律,评价了基于计算流体力学的支撑剂输送数值模拟方法的适应性与局限性。以此为基础,对非常规储层压裂支撑剂输送模拟研究进行了展望,指出粗糙裂缝模拟实验装置、压裂液—支撑剂速度表征测试方法、裂缝-压裂液—支撑剂流固耦合条件下数值模拟方法等方向将是下一步研究重点,从而为非常规油气高效改造提供理论指导。     

纤维支撑剂团静态沉降速度计算方法

水力压裂过程中,脉冲注入含纤维的支撑剂团可以有效保持其在裂缝输送沉降过程中的完整性,从而形成柱状支撑裂缝.通过实验再现了纤维支撑剂团静态沉降过程中的完整性,将压裂液-纤维-支撑剂三相混合物处理为单相流体,通过修正液相的流变性获得混合物的物性,考虑纤维支撑剂团在静态沉降过程中所受的重力、浮力、壁面摩擦力和绕流阻力,建立其...     

水力压裂的数值模拟方法(垂直缝部分)

本文结合水力压裂有关原理,建立了垂直水力压裂的数值模拟方法。鉴于有些方面在不断发展,所以,这里尽量采用最新的研究成果,其中主要的计有裂缝几何尺寸,支撑剂输送,压裂液在裂缝中的运移及相应的支撑剂沉降,应用了数值方法。过程中考虑了许多因素的影响,诸如非牛顿液性、液体运移中砂浓度的浓化以及裂缝壁存在等。     

支撑剂在交叉裂缝中运移规律的数值模拟

支撑剂运移是水力压裂体系中一个重要的流体-颗粒两相流问题.如何改善支撑剂在缝网中的铺置情况,是压裂改造后提高储层有效传导率的关键.针对这一问题,结合计算流体力学-离散元(CFD-DEM)方法,文中对支撑剂在交叉裂缝中的运移规律进行了数值模拟研究,主要分析了在不同裂缝交角和携砂液黏度条件下支撑剂的运移规律.结果表明:随着裂缝交角增大,支撑剂进入支缝的比例不断下降;提高携砂液黏度,能够改善支撑剂在支缝中的运移情况;在特殊条件下,支撑剂在狭窄支缝中可能出现空间非均匀性的聚团效应.利用CFD-DEM方法能够准确刻画颗粒与颗粒/壁面及流体与颗粒之间的相互作用.     

陆相页岩气储层裂缝支撑剂铺置规律研究

为了认识陆相页岩气储层裂缝中支撑剂的铺置规律,采用可视裂缝模拟系统开展支撑剂沉降铺置实验,模拟了不同压裂液黏度、排量、砂比、支撑剂粒径和支撑剂密度条件下支撑剂运移沉降的过程,同时采用PIV粒子测速技术绘制了砂堤入口处与前缘处的速度场,进一步分析了支撑剂铺置过程中颗粒的运动特征。研究结果表明,支撑剂在人工裂缝中的铺置分为四个阶段:早期阶段、中前期阶段、中后期阶段和平衡状态阶段。裂缝入口处:悬浮颗粒的速度方向近似水平向前,砂堤表面颗粒速度沿着坡面向上,支撑剂的推进主要依靠液体黏滞力的携带作用;排量增大,流场出现明显的扰动现象,排量越大,扰动程度越大。砂堤前缘处:坡顶处流场存在明显的涡流现象;液体黏度增加,涡流强度减弱,黏滞力增加,颗粒在液体冲击和携带作用下,铺置更远的距离;排量增加,整个前缘区域出现更大的旋涡,涡流作用更加强烈,此时液体的冲击作用使得支撑剂铺置效果更好;砂比增加,旋涡数量增加,强度增强,波及范围增大,支撑剂运移到裂缝更远端。滑溜水中支撑剂粒径越小、密度越大,砂堤越均匀,但要达到铺置效果,需要携砂液的作用。      

不同进口位置下支撑剂铺置规律及其数值模拟研究

滑溜水压裂技术以大排量、大液量的方式向地层泵注携砂液,最终可以在压裂储层中形成填充有支撑剂的有效人工裂缝。通过对支撑剂颗粒进行受力分析,建立其沉降的速度公式,并结合固液两相流的运动机理,建立了支撑剂输送的数学模型。基于现有装置,研究了不同进口位置组合对滑溜水压裂液携砂运移规律的影响,并利用Fluent软件的欧拉模型对铺砂形态进行数值模拟。结果表明:Ⅰ-Ⅱ型进口组合最有利于主缝进口端的铺砂,支撑剂铺置率高,且砂堤平衡高度前缘距离较小。实验与模拟结果的吻合度高,可为压裂施工提供理论帮助。     

页岩气滑溜水压裂支撑剂输送实验及数值模拟研究

页岩气滑溜水压裂主要是在储层中形成网络状裂缝,并用支撑剂将压开的裂缝支撑起来以形成高导流能力的填砂裂缝。针对支撑剂在页岩裂缝中的输送机理开展研究。通过对支撑剂受力进行分析,并结合液固两相流耦合流动机理,在此基础上利用Fluent软件中欧拉-欧拉两相流模型对支撑剂输送进行了数值模拟。数值模拟与物理实验都是研究排量对砂堤形态的影响,结果表明:排量越大,裂缝入口处支撑剂越少,最终的砂堤厚度越低;实验与数值结果吻合度较高。研究结果可为实际页岩气压裂施工提供理论指导。     

基于CFD-DEM算法的压裂支撑剂缝内铺砂规律

为优化页岩气支撑剂的输送性能，采用计算流体力学-离散元(CFD-DEM)耦合方法对中等矩形裂缝进行数值模拟，考虑了重力、浮力以及颗粒-颗粒、颗粒-流体、颗粒-壁面之间的相互作用，采用单一因素控制变量法对支撑剂密度、携砂液流速、支撑剂质量分数以及压裂液黏度4个影响因素进行评价。研究结果表明：降低支撑剂与压裂液之间的质量分数差，可以提高86%的输送距离，确保支撑剂运移至裂缝深处；较高的携砂液流速会增大支撑剂的流化度，在距离入口较远处沉降；由于液体对颗粒的曳力作用，一定程度地提高压裂液的黏度会使支撑剂填充层的液体体积分数增加23%;增大支撑剂的砂比可以提前达到支撑剂的“平衡高度”,但在入口处有堆积，容易产生卡泵现象，可以采取变速加砂和梯度混砂的方式提高支撑剂的输送效果。研究结果可为现场压裂作业提供参考。     

针对大厚段砂砾岩储层的水力压裂新方法

针对砂砾岩大厚储层的开发,传统的笼统压裂经常导致支撑剂铺置效率低,产量递减快等问题。综合考虑支撑剂沉降平衡高度以及停泵后支撑剂运动对支撑剂输送的影响,建立支撑剂沉降运移模型,分析影响支撑剂铺置的主要因素,提出了一种新型的水力压裂技术。结果表明:①射孔位置和支撑剂密度是影响支撑裂缝形态以及支撑剂铺置形态的主要因素;②通过对大厚储层中的某一层段集中射孔可以调整支撑裂缝形态;③采用不同密度支撑剂,按照不同的加入顺序,可以调整支撑剂在大厚储层中的铺置剖面。结论认为:该技术可用于提高常规整体压裂方法中支撑剂的铺置效率。     

基于Fluent软件的携砂液流动规律模拟研究

掌握支撑剂在裂缝中运移影响因素和最终铺砂形态规律,对于压裂方案设计和压裂现场施工非常重要。基于数值模拟计算的理论方法,应用Fluent模拟软件建立了矩形裂缝中携砂液流动分析模型,对不同密度支撑剂在裂缝中的运动轨迹和铺砂规律进行了研究。结果表明,支撑剂沉降速率随其密度的增大而增加,高密度支撑剂在缝口易形成砂桥,使得最终在裂缝中的铺砂分布不均;相同条件下,低密度支撑剂不会在缝口附近形成砂桥,形成的铺砂剖面较为均匀。     

基于PIV/PTV的平板裂缝支撑剂输送试验研究

为了解水力压裂过程中水力裂缝内支撑剂的铺置规律，基于平板裂缝开展了支撑剂输送试验，分析了泵注排量、压裂液黏度、注入位置、支撑剂类型对支撑剂铺置过程的影响；运用PIV/PTV技术，测试了压裂液–支撑剂两相运动速度，从颗粒运动角度分析了不同因素对最终砂堤形态的影响。试验发现：平板单缝内支撑剂铺置存在“裂缝前端先堆积至平衡高度，再稳定向后端铺置”和“砂堤整体纵向增长，稳定向后端铺置”2种典型模式，2种模式可以在泵注的不同阶段出现并转换；砂堤不同位置形态主控因素存在差异，注入位置与排量主要控制前缘形态，黏度与排量主要控制中部形态，黏度主要控制后缘形态；在裂缝远端，支撑剂沉降存在“回流式”和“直接式”2种模式，前者受涡流控制，后者则仅依靠重力沉降；现场施工时可考虑“定向射孔+大排量中高黏70/140目石英砂（主体支撑剂）+40/70目陶粒架桥+大排量中高黏70/140目石英砂长距离输送+排量尾追40/70目陶粒”，兼顾缝长方向远距离铺置和近井地带裂缝与井筒的高连通性。平板裂缝内支撑剂运移与铺置规律试验结果可以为页岩储层压裂主裂缝内支撑剂高效铺置及储层改造工艺参数优化提供参考。     

页岩气储层支撑剂输送大尺度主缝实验装置研制

为了深入开展页岩气储层压裂水力裂缝主缝中支撑剂输送、铺置规律研究,进行了支撑剂输送大尺度实验装置研制。在分析主缝中支撑剂输送铺置特征的基础上,确定了包括重力雷诺数、流动雷诺数、缝长缝高比等无量纲数为装置实验段设计相似准则,建立了两种平板裂缝实验段几何模型,根据雷诺数相似确定了模型的进出口边界条件,采用固液两相流计算流体力学方法进行了缝内支撑剂输送过程数值模拟。以模拟结果为基础,在满足缝内流动特征观测的要求下,设计的实验段长、高分别为10 m、0.6 m,缝宽2～10 mm可调。在考虑裂缝可变倾角和可变走向等功能的基础上,模拟现场压裂施工流程对装置的泵注系统、实验段等部分进行了系统设计及实物制造。通过开展不同支撑剂粒径、不同裂缝倾角的支撑剂输送验证实验表明,所研制的装置运行正常,实验结果与设计计算及模拟结果相似符合度高,满足装置设计目标及后期实验要求。     

滑溜水压裂主裂缝内支撑剂输送规律实验及数值模拟

滑溜水压裂时通过泵送大排量压裂液在储层中形成主裂缝为主干的裂缝网络,主裂缝内支撑剂的铺置状况直接影响油气井的产能。采用自主设计的大型可视化平板裂缝装置来研究大排量泵送时主裂缝内支撑剂的输送规律,建立了相应的数值模型模拟了砂堤在不同时刻的铺置形态,并分析了湍流对支撑剂铺置的影响规律,为滑溜水压裂时主裂缝内支撑剂的有效铺置提供一定的理论指导。研究表明,滑溜水压裂时支撑剂在主裂缝内的铺置规律与小排量压裂时不同:支撑剂首先在主裂缝入口处形成一个较低的砂堤,而在距入口较远处形成一个较高的砂堤,之后才一层一层周期性的覆盖在两处砂堤之上,直到达到最终的平衡高度;大排量压裂时易引起湍流,将主裂缝进口端暂时沉降的支撑剂重新卷入裂缝深处,形成类似“卷云状”的沉降结构;数值模拟与物理实验模拟得到的支撑剂铺置结果相似,证明了研究的数值模型具有一定的实用性。     

支撑剂返排控制优化

在压裂过程中,支撑剂起着保持裂缝高导流能力的重要作用,同时支撑剂的回流也会影响压裂井的正常生产,损坏井下和地面设备,增加生产成本和修井费用。为保持支撑剂在裂缝中形成有效支撑,文中根据支撑剂在幂律流体中的沉降规律,结合颗粒干扰和壁面效应对沉降速度的影响,对沉降速度进行了修正,从而建立了支撑剂沉降距离的计算模型;根据临界流速,计算出支撑剂的临界返排量。应用该理论模型,结合实例进行优化设计分析,针对不同的井口压力选择对应的油嘴直径。计算结果表明,该模型对指导现场施工具有积极意义。     

考虑多种因素影响支撑裂缝几何尺寸的数值模拟

使用拟三维裂缝几何形态模型,综合考虑裂缝扩展过程中支撑剂的沉降、压裂液的流变性和滤失性变化及裂缝中的温度分布,给出了裂缝几何尺寸和支撑剂在裂缝中分布的计算方法,做了实例计算,用该方法可较准确地计算支撑裂缝的几何尺寸。     

脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性

与常规砂岩储层压裂形成的双翼平面裂缝不同,脆性页岩储层压裂形成的是网络裂缝.因影响网络裂缝与双翼裂缝中支撑剂沉降的因素不同,故通过理论公式推导、计算结果与现场数据验证的方式,研究了脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性.结果表明,支撑剂颗粒沉降达到收尾速度的时间极短,网络裂缝中支撑剂的实际沉降幅度远远小于理论计算结果;网络裂缝中支撑剂沉降主要受网络裂缝复杂程度和页岩复合层理效应的影响,受携砂液体粘度的影响较小.在脆性页岩中,压裂后支撑剂回流是影响压裂缝高和裂缝导流能力的主要因素.压裂后,采用类似常规储层的快速放喷和强制闭合技术,会加大裂缝中支撑剂回流造成的导流能力损失,极端情况下甚至会使支撑剂全部回流,导致压裂裂缝闭合成为无效裂缝,最终影响脆性页岩储层压裂后的产量.长时间停泵可减少支撑剂回流,有利于保持裂缝的有效导流能力.