一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法

摘要

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。

权利要求

1.一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，其特征在于，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；

其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：

式中：CD为曳力系数；αl为液相体积分数；Res为颗粒雷诺数；H为颗粒到边界的距离；d为颗粒粒径；

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；

1)用网格中心到边界的距离H代替该网格内所有位置颗粒到边界的距离，并将该值储存在网格中心；

2)对所有网格进行遍历，判断第i个网格的Hi/d与2的关系，决定当前网格内的固相颗粒采用何种曳力系数计算公式；

3)对边界的面中心网格上的H/d值进行更新；

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。

2.根据权利要求1所述的一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S5中的具体步骤为：

1)构建狭长裂缝流动空间，给定具体的裂缝长度、高度和宽度，确定长度、高度和宽度方向的初始网格长度比；

2)通过网格缩放对边界加密，对比加密前后计算结果差异；若无差异，无需进一步加密，反之，需进一步通过增加网格数量加密；

3)增加宽度方向网格数量，同时增加长度和高度方向网格数量以减小网格长宽比，提升网格质量；对比加密前后计算结果差异；无差异时，获得网格无关几何模型。

3.根据权利要求2所述的一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，其特征在于，所述支撑剂网格几何模型的长度和高度与宽度的比值分别在400和30倍及以上，长和高方向的初始网格长度比为10，宽方向的初始网格长度比为1。

说明书

一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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3
1761.70×108m ，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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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：

[0007] 步骤S1、建立室内大型平板支撑剂输送实验物理模型；

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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。

[0012] 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：

[0013] 当H/d≥2时：

[0014]

[0015] 当H/d＜2时：

[0016]

[0017] 式中：CD为曳力系数；αl为液相体积分数；Res为颗粒雷诺数；H为颗粒到边界的距离；d为颗粒粒径。

[0018] 进一步的技术方案是，所述步骤S3中的具体步骤为：

[0019] 1)用网格中心到边界的距离H近似代替该网格内所有位置颗粒到边界的距离，并将该值储存在网格中心；

[0020] 2)对所有网格进行遍历，判断第i个网格的Hi/d与2的关系，决定当前网格内的固相颗粒采用何种曳力系数计算公式；

[0021] 3)对边界的面中心网格上的H/d值进行更新。

[0022] 进一步的技术方案是，所述步骤S5中的具体步骤为：

[0023] 1)构建狭长裂缝流动空间，给定具体的裂缝长度、高度和宽度，确定长度、高度和宽度方向的初始网格长度比；

[0024] 2)通过网格缩放对边界加密，对比加密前后计算结果差异；若无差异，无需进一步加密，反之，需进一步通过增加网格数量加密；

[0025] 3)增加宽度方向网格数量，同时增加长度和高度方向网格数量以减小网格长宽比，提升网格质量；对比加密前后计算结果差异；无差异时，获得网格无关几何模型。

[0026] 进一步的技术方案是，所述支撑剂网格几何模型的长度和高度与宽度的比值分别在400和30倍及以上，长和高方向的初始网格长度比为10，宽方向的初始网格长度比为1。

[0027] 本发明具有以下有益效果：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，能考虑水狭窄运动空
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。

附图说明

[0028] 图1是本发明中颗粒距壁面不同位置示意图；

[0029] 图2是本发明中无限大空间中单颗粒曳力计算结果与发表结果的对比图；

[0030] 图3是本发明中不同颗粒雷诺数和不同颗粒距壁面距离条件下曳力计算结果图。

具体实施方式

[0031] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 本发明的一种考虑壁面捕获效应的支撑剂输送数值模拟方法，依次包括下列步骤：

[0033] (1)建立室内大型平板支撑剂输送实验物理模型；

[0034] (2)通过数值模拟实验计算获得颗粒在壁面影响下的曳力，引入无量刚参数H/d，即颗粒到壁面的距离与颗粒粒径的比值，在Clift曳力系数计算公式基础上，由数据拟合修
正获得考虑壁面效应的曳力系数计算模型；

[0035] (3)根据室内大型平板装置尺寸和结构，通过成熟的网格处理软件对等比例几何模型网格剖分，将步骤(2)获得的曳力系数计算模型挂载到该几何模型所在的算例中；

[0036] (4)选择将固相支撑剂拟流体化的两流体模拟方法，对步骤(3)中的算例设置相应边界条件和物性参数；

[0037] (5)对步骤(4)的完整算例进行网格无关性验证以消除网格剖分对计算结果的影响，最终使用网格无关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。

[0038] 在本发明中，所述步骤(1)通过数值模拟实验计算获得颗粒在壁面影响下的曳力，引入无量刚参数H/d，即颗粒到壁面的距离与颗粒粒径的比值，在Clift曳力系数计算公式
基础上，由数据拟合修正获得考虑壁面效应的曳力系数计算模型，包括下列步骤：

[0039] 1)在介观尺度上，使用格子玻尔兹曼方法(LBM)中的D3Q19模型计算单颗粒在无限大空间中受流体的曳力，计算结果与发表数据进行对比，保证该使用该方法计算颗粒曳力
的准确性；

[0040] 2)在1)中的计算域基础上添加壁面边界，分别计算H/d＝0.5,1,1.5,2,2.5时单颗粒受到的曳力(如图1所示)；

[0041] 3)在能够在较大颗粒雷诺数范围内精确计算颗粒曳力的Clift公式的基础上，引入无量纲参数H/d以考虑壁面对颗粒运动的影响，并将LBM的模拟结果代入公式进行拟合，
得到考虑壁面捕获效应的新曳力模型，具体公式如下：

[0042]

[0043] 4)将LBM的模拟结果与Clift公式计算结果进行对比，明确当H/d≥2时，壁面对颗粒受到曳力的影响可以忽略甚至消失，曳力模型退化为Clift公式，具体公式如下：

[0044]

[0045] 式中：CD为曳力系数；αl为液相体积分数；Res为颗粒雷诺数；H为颗粒到边界的距离；d为颗粒粒径。

[0046] 在本发明中，所述步骤(3)包括下列步骤：

[0047] 1)用网格中心到边界的距离H近似代替该网格内所有位置颗粒到边界的距离，并将该值储存在网格中心；

[0048] 2)对所有网格进行遍历，判断第i个网格的Hi/d与2的关系，决定当前网格内的固相颗粒采用何种曳力系数计算公式；

[0049] 3)对边界的面中心网格上的H/d值进行更新；

[0050] 在本发明中，所述(5)对步骤(4)的完整算例进行网格无关性验证以消除网格剖分对计算结果的影响，最终使用网格无关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，包括下列步骤：

[0051] 1)构建狭长裂缝流动空间，给定具体的裂缝长度、高度和宽度，确定长度、高度和宽度方向的初始网格长度比(模型实际长度与单位网格长度之比)；

[0052] 2)通过网格缩放对边界加密，对比加密前后计算结果差异；若无差异，无需进一步加密，反之，需进一步通过增加网格数量加密；

[0053] 3)增加宽度方向网格数量，同时增加长度和高度方向网格数量以减小网格长宽比(网格的最长边与最短边之比)，提升网格质量；对比加密前后计算结果差异；无差异时，获
得网格无关几何模型。

[0054] 实施例

[0055] 步骤S1、在介观尺度上，使用格子玻尔兹曼方法(LBM)中的D3Q19模型计算单颗粒在无限大空间中受流体的曳力，计算结果与发表数据对比结果如图2所示；

[0056] 步骤S2、使用步骤S1中的方法计算单颗粒在距离壁面不同位置处受到的曳力，选用能够在较大颗粒雷诺数范围内精确计算颗粒曳力的Clift公式作为改进基础，引入无量
纲参数H/d，并将模拟结果代入公式进行拟合，拟合结果如图3所示；

[0057] 步骤S3、用网格中心到边界的距离H近似代替该网格内所有位置颗粒到边界的距离，并将该值储存在网格中心；对所有网格进行遍历，判断第i个网格的Hi/d与2的关系，决
定当前网格内的固相颗粒采用何种曳力系数计算公式；对边界的面中心网格上的H/d值进
行更新；

[0058] 步骤S4、根据室内大型平板支撑剂输送实验物理模型的尺寸和结构，通过ICEM网格处理软件对等比例几何模型网格剖分；裂缝属于狭长流动空间，长度和高度与宽度的比
值分别在400和30倍及以上，长和高方向的初始网格长度比为10，宽方向的初始网格长度比
为1；

[0059] 步骤S5、通过网格缩放对边界加密，缩放比取1.05，对比加密前后计算结果差异；若无差异，无需进一步加密，反之，需进一步通过增加网格数量加密；

[0060] 步骤S6、若需要通过增加网格数量加密网格，则首先增加宽度方向网格数量，同时增加长度和高度方向网格数量以减小网格长宽比，提升网格质量；从计算效率考虑要求长
度和高度方向网格长度比不小于5，从物理实际考虑要求最小网格长度大于颗粒粒径；对比
加密前后计算结果差异；无差异时，获得网格无关几何模型；

[0061] 步骤S7、选择将固相支撑剂拟流体化的两流体模拟方法，对模型边界条件进行设置，基于实验和文献推荐对模型参数进行赋值；

[0062] 步骤S8、对完整算例进行网格无关性验证以消除网格剖分对计算结果的影响，获得的无关性网格，并获得考虑了壁面捕获效应的支撑剂输送模拟结果。

[0063] 以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围
内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱
离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等
同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。