复杂裂缝中CO_2流体携砂规律的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了适用于模拟CO_2流体和支撑剂两相流动规律的固液两相流数学模型,并利用有限体积法进行求解,分析了泵注速度、砂比、支撑剂密度和粒径以及裂缝复杂程度对支撑剂在复杂裂缝中运移规律的影响。结果表明:支撑剂流入分支缝的方式主要包括主裂缝在分支缝缝口处形成砂堤后依靠重力作用滚入二级缝中,或是依靠携砂液的流速携带至分支缝内;泵注速度、支撑剂目数与平衡高度呈负相关,且泵注速度与平衡时间呈负相关、支撑剂目数与平衡时间呈正相关;砂比、支撑剂密度与平衡高度呈正相关,与平衡时间呈负相关;裂缝的级数越多,达到平衡所需要的时间越长,复杂裂缝中支撑剂在各分支缝节点处出现转向运移,且主要沉降在离主裂缝较近的二级缝中;由于三级缝较窄,进入三级缝深部的支撑剂量较少,且各分支缝中的砂堤高度小于主裂缝中的砂堤高度。     

水平井压裂楔形缝内支撑剂输运特征数值模拟

为使研究结果更符合真实储层中支撑剂运移铺置情况，考虑水平井压裂注入特征和压裂裂缝实际形态特征，突破矩形窄缝数值模型的限制，基于计算流体力学方法建立了工程尺度单孔眼楔形裂缝模型。利用支撑剂输运数值模拟分析了支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液粘度、施工排量和砂比对支撑剂在楔形裂缝中沉降运移的影响。根据数值模拟结果，以在楔形缝内形成具有充分高度和长度且不会带来砂堵风险的砂堤为目标，建议现场压裂施工排量在2.5 m3/min以上，携砂液粘度小于20 mPa·s，砂比控制在10%~20%之间，并采用粒径为70/140目的支撑剂进行支撑剂充填作业。与常规矩形长板裂缝模型的支撑剂输运模拟结果相比，楔形裂缝模拟中砂堤形态存在明显差异，为现场压裂施工参数提供新的参考。     

基于Cross本构方程的裂缝内清洁压裂液支撑剂铺置行为数值模拟

支撑剂在裂缝中的铺置行为直接决定着压裂增产效果。以提高支撑剂在裂缝中的携砂能力为目的,采用流变仪研究了黏弹性表面活性剂清洁压裂液的流变特性,运用Cross非牛顿流体本构方程拟合得到了清洁压裂液的流变参数,基于Eular-granular颗粒动力学方法研究了支撑剂在清洁压裂液中的运移特性。模拟结果表明,Eular-granular颗粒动力学方法模拟结果与室内实验吻合较好,能够描述裂缝内砂堤铺置行为。对清洁压裂液而言,零剪切黏度越高,剪切稀化性越低,结构松弛时间越小,其携砂性能越好;采用低密度、小粒径的支撑剂可以有效降低缝内砂堤平衡高度,延长支撑剂的铺置距离,减少裂缝内近井段支撑剂的堆积,防止返排时产生回流。     

水平井压裂单缝和多分支缝中携砂液流动规律数值模拟

压裂过程中携砂液的注入是为了防止地应力将已压裂出的裂缝重新闭合,裂缝中携砂液的流动是典型的固液两相流。关于垂直井裂缝中携砂液的流动已有众多学者对其进行了研究,然而关于水平井单裂缝和分支缝中携砂液流动的二维或三维数值模拟几乎未见研究。采用混合物湍流计算模型,对携砂液在二维水平井单裂缝和三维水平井分支缝中的流动进行了模拟计算。模拟结果得出:水平井单裂缝中的铺砂形态与垂直井单裂缝中明显不同,水平井单裂缝中的铺砂前缘会形成一个"砂包"向前推进,并且在入口处向缝内展布的铺砂浓度不会快速地下降。在保持其他参数不变的情况下,随着携砂液入口速度的增大,裂缝中的铺砂高度逐渐增大;携砂液入口颗粒浓度越大其他位置的铺砂浓度也越大;携砂液颗粒密度越大铺砂分布范围越小,而铺砂浓度大小基本相同。楔形裂缝中的携砂液相较于矩形裂缝更容易填充满整个裂缝;楔形裂缝中向前推进的"砂包"比矩形裂缝较低。分支缝主缝中砂堤区厚度大于单缝中的厚度,而分支缝主缝中悬浮区的厚度远小于单缝中的厚度。随着支缝与主缝夹角的增大,分支缝主缝中铺砂范围逐渐减小。当夹角为90°、120°时,沙粒在支缝与主缝的连接处产生堆积,导致主缝在第一个连接处后方区域的铺砂浓度明显减小。     

多因素作用下单裂缝铺砂规律CFD数值模拟

为研究压裂过程单裂缝中入口速度(排量)、粒径等因素对支撑剂铺置运移影响规律,运用CFD数值模拟软件,建立简化二维模型,鉴于以往模型出口设置引起支撑剂回流铺置,设计模型出口为全开出口。模拟结果表明:随着排量的增大,支撑剂主要沉降区向裂缝深处移动,同时,入口处湍流效应增加,近井筒区域支撑剂空缺带变大,降低支撑剂铺置效果;增加砂比到一定值,其对砂堤形态的影响逐渐减小;高排量、高砂比时,在一段时间内,砂堤高度先逐渐增高再降低达到平衡高度,砂堤形态非均匀性先增大再减小。     

煤层气缝网压裂技术研究

为解决煤层气活性水改造效果差的难题,基于煤层发育被方解石充填的天然裂缝网络、压裂液滤失量大的特性,提出了新的缝网压裂思路,研制与煤层相适应的复合压裂液体系。潜在酸压裂液酸蚀充填矿物,使裂缝恢复畅通,形成相连通的复杂裂缝网络;清洁压裂液携砂,支撑压开的裂缝。探讨了该思路的可行性和优势,以及与页岩气、砂岩气缝网压裂的区别。分析了沁水盆地南部3号煤和15号煤地质特征,研制了相应的潜在酸压裂液和清洁压裂液,形成"潜在酸酸蚀裂缝充填矿物,清洁压裂液携砂"的缝网压裂技术。与常规活性水压裂对比表明,3号和15号煤层缝网压裂产量高,见气普遍更早。3号煤压裂支撑剂用量更少,15号煤煤层气开发取得历史突破。实践表明煤层气缝网压裂具有可行性。     

复杂裂缝内支撑剂铺置规律及有效支撑面积

复杂裂缝内支撑剂的铺置规律比较复杂，目前大多数研究都是基于数值模拟方法，存在耗时费力的情况，为了实现支撑面积的快速预测，本文利用数值模拟方法，在研究注入速度，流体粘度，砂比，粒径及密度等因素对铺置效果影响的基础上，运用神经网络、实验数据，建立了裂缝内支撑剂有效支撑面积神经网络预测模型。结果表明:不同因素都有合理的取值范围，取值超过该范围都会导致铺置效果变差，各级裂缝随影响因素的变化规律不相同，且主次缝的支撑剂铺置是相互影响的，分支前主缝砂堤高度超过一定高度后，砂堤高度越高，次级缝的砂堤面积越小，主次缝最大砂堤面积不会同时出现；基于BP神经网络的裂缝内有效支撑面积预测模型，模型预测结果与数值计算结果误差在3.42%~6.46%之间，该模型能够准确、快速的预测支撑剂在裂缝中运移后形成的砂堤面积。该研究成果可以为非常规资源的压裂开发提供理论帮助。     

纤维压裂液携砂性能实验评价

 为了研究纤维对纤维加砂压裂的影响,设计了大型可视裂缝模拟系统及相应的实验方案,通过室内实验,研究了纤维加入方式、纤维浓度、温度等对纤维携砂能力的影响。实验结果表明:先加入纤维,再加入交联剂,最后加入支撑剂配置的压裂液携砂能力最好;在一定温度范围内,纤维质量浓度越高,纤维与支撑剂颗粒间摩擦系数越大,形成的网状结构越稳定,纤维的悬砂性越好,但温度大于80℃时,纤维携砂能力变差;增大纤维质量浓度,砂堤形态变平缓,堤峰向裂缝深部推移,支撑剂在裂缝深部的沉降量增加,有利于增加裂缝的有效长度。     

体积压裂缝网系统模拟及缝网形态优化研究

为了有效地表征压裂后形成的复杂裂缝网络系统,依据三维改造区域的渗流规律,提出了缝网双重介质数值模型。利用该模型对不同缝网形态进行模拟,分析了不同缝网形态对产能的影响规律,并获得衰竭式开发下的最佳形态。研究结果表明:纺锤型与哑铃型缝网形态较其他缝网形态更具优势;影响体积压裂水平井产能的因素主要有端部裂缝的产能、缝网内部裂缝缝间干扰的程度、缝网形态中部主裂缝对泄流面积的控制程度。     

通道压裂支撑剂运移规律试验

基于通道压裂的特点,设计具有粗糙裂缝壁面、不同角度分支缝组合并考虑地层滤失、缝宽可变的大型支撑剂运移模拟装置。利用大型支撑剂运移模拟装置分别对直缝和直缝与分支缝组合两种情况下施工排量、支撑剂粒径、压裂液黏度、纤维比例等因素对支撑剂铺置的影响进行试验研究。结果表明:压裂液黏度显著影响支撑剂团块在裂缝长度方向上的分布;纤维比例的增加能够增加团块的数量,团块中支撑剂的含量和纤维与支撑剂的比例有关;适当增大排量有利于通道之间的相互连通;支撑剂质量浓度对支撑剂团块在裂缝高度方向上的分布影响较大;随着支撑剂粒径的增加其与纤维结合形成团块的能力越差;分支缝通道率明显低于主缝,结合分支缝的分流作用影响,其对试验变量的敏感性要低于主缝;随着分支缝角度的增加,纤维越容易在裂缝入口处滞留堵塞,堵塞分支缝入口。