[发明专利]一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法

说明书

本发明公开一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，包括：建立室内大型平板支撑剂输送实验物理模型；根据数值模拟实验建立考虑壁面效应的曳力系数计算模型；建立支撑剂网格几何模型；根据固相支撑剂拟流体化的两流体模拟方法，对支撑剂网格几何模型的边界条件和物性参数进行设置；对支撑剂网格几何模型进行网格无关性验证，获得缝内支撑剂的输送特征和铺置形态。本发明采用数值模拟手段，重点研究水力压裂过程中支撑剂在狭窄壁面影响下的运移规律和分布形态；该方法原理可靠，能考虑狭窄运动空间中壁面对支撑剂运动的影响，进而准确预测地下水力裂缝中支撑剂的运动行为；为非常规油气储层水力压裂设计和效果评价提供指导。

技术领域

本发明涉及一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，属于油气田开发工程领域。

背景技术

据国家统计局数据显示，2019年我国原油和天然气产量分别为1.91×10⁸t和1761.70×108m³，对外依存度分别高达73.8％和47.7％，能源安全形势日趋严峻。致密油气、页岩油气等非常规油气资源占我国剩余油气资源的半壁江山，是国家能源需求的重要战略接替，而水力压裂是有效改造开发这类油气资源的“三大利器”之一。水力压裂技术利用高压流体携带支撑剂在地下建造油气流动的“高速公路”，增大泄油气面积，降低地层流体流动压差，有效提高油气井产能。建立长期有效的裂缝流动通道是压裂成功的核心之一。因此，支撑剂在缝内的运移规律与分布形态对施工效果的影响至关重要。

对于以页岩为代表的非常规油气储层，地下水力裂缝宽度一般只有一个厘米到几个毫米不等，而施工中采用的最低砂浓度的混砂液段塞的固相体积占比远大于1‰，支撑剂随混砂液在裂缝中的运移和沉降属于狭窄空间中的稠密液-固两相流问题，因此裂缝壁面对支撑剂运动具有重要影响。通过室内大型平板支撑剂输送实验，能够观察到近壁面颗粒的水平速度明显低于逐渐靠近缝宽中心位置颗粒的水平速度，这是由于近壁面颗粒受到的曳力增大，在纵向上缓慢沉降，但同时也增大了流体流动阻力，颗粒在横向上运动能力减弱，表现为壁面对支撑剂颗粒的捕获作用。为通过数值模拟手段破解物理模拟实验在规模、成本和研究条件等方面的限制，进而准确预测地下水力裂缝中支撑剂的运动行为，需要对仿真模型进行细化和完善。

而现有发明技术忽略了狭窄壁面对支撑剂运动影响，容易导致支撑剂运移规律和堆积形态认识出现偏差，影响非常规油气储层水力压裂设计和施工效果。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，包括：

步骤S1、建立室内大型平板支撑剂输送实验物理模型；

步骤S2、根据数值模拟实验建立考虑壁面效应的曳力系数计算模型；

步骤S3、根据曳力系数计算模型和室内大型平板支撑剂输送实验物理模型的参数建立支撑剂网格几何模型；

步骤S4、根据固相支撑剂拟流体化的两流体模拟方法，对支撑剂网格几何模型的边界条件和物性参数进行设置；

步骤S5、对支撑剂网格几何模型进行网格无关性验证以消除网格剖分对计算结果的影响，最终使用网格几何模型模拟支撑剂在狭窄缝中的运动过程，获得缝内支撑剂的输送特征和铺置形态。

进一步的技术方案是，所述步骤S1中的考虑壁面效应的曳力系数计算模型如下：

当H/d≥2时：

当H/d＜2时：