湍流效應(yīng)對(duì)支撐劑鋪置規(guī)律的影響

惠峰

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

湍流效應(yīng)對(duì)支撐劑鋪置規(guī)律的影響

惠峰

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

進(jìn)行水力壓裂的目的就是將支撐劑鋪置于已產(chǎn)生的裂縫中，支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律決定了壓裂后填砂裂縫的導(dǎo)流能力和增產(chǎn)效果。為了研究湍流對(duì)支撐劑鋪置的影響，利用大型可視化裂縫模擬裝置進(jìn)行了支撐劑鋪置模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)運(yùn)用Fluent模擬軟件中的歐拉兩相流模型對(duì)支撐劑的鋪置進(jìn)行數(shù)值模擬研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著壓裂施工排量的增大，裂縫入口處形成的湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，致使靠近裂縫入口處鋪置的支撐劑越來越少，直至無支撐劑鋪置，大大降低了裂縫的導(dǎo)流能力。其研究結(jié)果可為水力壓裂施工中設(shè)計(jì)合理的施工排量提供幫助。

湍流；支撐劑；鋪置規(guī)律；模擬實(shí)驗(yàn)

隨著國(guó)內(nèi)外頁巖氣資源的有效開發(fā)，以滑溜水為壓裂液的大排量、低黏度、低砂比的施工方式被廣泛應(yīng)用于低滲-特低滲非常規(guī)油氣藏[1]。與傳統(tǒng)的交聯(lián)壓裂液相比，滑溜水黏度低，輸送支撐劑困難，需要大排量將支撐劑輸送到已壓開的裂縫中，形成具有高導(dǎo)流能力的填砂裂縫[2]。目前關(guān)于支撐劑在裂縫內(nèi)的沉降規(guī)律研究主要集中在室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及理論計(jì)算推導(dǎo)。國(guó)外關(guān)于支撐劑鋪置規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究較早，早在1967年Babcock就采用平行透明樹脂板對(duì)支撐劑在裂縫中的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[3]，國(guó)內(nèi)關(guān)于滑溜水壓裂支撐劑的鋪置規(guī)律研究較晚，近些年溫慶志運(yùn)用透明平行板垂直裂縫物理模型，對(duì)滑溜水壓裂過程中支撐劑在裂縫中的鋪置規(guī)律進(jìn)行了分析[4-6]。

但到目前為止，對(duì)于大排量下滑溜水壓裂支撐劑鋪置規(guī)律的研究還不夠深入，未能將大排量下湍流的影響考慮在內(nèi)。鑒于此，本文在前人的基礎(chǔ)上，通過大型可視化裂縫模擬裝置結(jié)合Fluent模擬軟件，運(yùn)用室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)和軟件數(shù)值模擬兩種方法來模擬滑溜水壓裂支撐劑在裂縫中的鋪置過程，對(duì)比研究不同施工排量下湍流對(duì)支撐劑鋪置規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

為了研究攜砂液通過射孔孔眼時(shí)不同湍流強(qiáng)度下的支撐劑砂堤形態(tài)分布，利用大型可視化裂縫模擬裝置，對(duì)支撐劑鋪置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)（見圖1）。該模擬裝置主要由混砂池、螺桿泵、平行裂縫板、廢液池以及連接管線等組成。平行裂縫板是由2塊長(zhǎng)3 m，高0.5 m，縫寬可調(diào)的有機(jī)玻璃板組成，裂縫板左右中部各有一個(gè)大小一致的進(jìn)出口（高5 mm，寬1 mm），模擬射孔孔眼直徑18 mm。

圖1 裂縫模擬裝置原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)是為了模擬支撐劑在裂縫內(nèi)的沉降規(guī)律，因此實(shí)驗(yàn)過程中所采用的流體流速應(yīng)與實(shí)際壓裂施工中的流速相同。根據(jù)相似原理，由壓裂施工排量、裂縫高度及裂縫寬度可折算出實(shí)驗(yàn)過程中的縫內(nèi)流速。

實(shí)驗(yàn)首先在混砂池內(nèi)將一定砂比的支撐劑與壓裂液攪拌均勻，然后通過螺桿泵將混合好的攜砂液泵入裂縫平行板內(nèi)，通過調(diào)節(jié)螺桿泵的頻率，即可得到不同流速下的支撐劑鋪置實(shí)驗(yàn)。當(dāng)裂縫平行板內(nèi)出現(xiàn)支撐劑時(shí)利用高清攝像機(jī)進(jìn)行全程錄像，記錄支撐劑的沉降運(yùn)移過程。實(shí)驗(yàn)過程中保持壓裂液黏度、支撐劑粒徑、支撐劑視密度、砂比等參數(shù)不變，通過對(duì)比不同流速下支撐劑砂堤的堆積形態(tài)，研究湍流對(duì)縫內(nèi)支撐劑鋪置規(guī)律的影響。具體參數(shù)（見表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

計(jì)算流體力學(xué)分析首先是根據(jù)模擬對(duì)象建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將計(jì)算區(qū)域離散化，劃分為多個(gè)子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，將具體問題轉(zhuǎn)化為Fluent求解器可以接受的形式。根據(jù)本次所用實(shí)驗(yàn)裝置模型建立二維矩形裂縫模型，縫高和縫長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置一致，裂縫左右各有一個(gè)進(jìn)出口。所建立的裂縫壁面均采用光滑靜止固壁，與實(shí)驗(yàn)裝置保持一致，最后采用MAP方法生成四邊形網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行求解。

模型的入口邊界采用速度入口，給定湍流強(qiáng)度和水力半徑，出口為自由流動(dòng)。設(shè)定裂縫出入口壓力均為0.103 MPa，初始速度分別為2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s，壓裂液黏度、密度以及支撐劑粒徑、密度與實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)條件相一致，設(shè)定收斂各項(xiàng)殘差小于10-4。

3 結(jié)果分析

3.1 不同流速下的物理模擬實(shí)驗(yàn)

在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行不同進(jìn)口速度下的支撐劑鋪置物理模擬實(shí)驗(yàn)，從支撐劑進(jìn)入裂縫開始計(jì)時(shí)，直到砂堤高度達(dá)到平衡高度。實(shí)驗(yàn)采用全程錄像記錄砂堤的堆積過程，記錄最終的砂堤形態(tài)（見圖2）。

裂縫進(jìn)口速度為2.5 m/s時(shí)最終形成的砂堤形態(tài)（見圖2a），從中可以看出在靠近裂縫入口位置處支撐劑沉降較多，砂堤平衡高度較大；隨著裂縫進(jìn)口流速的增大，靠近裂縫入口位置處的支撐劑沉降越來越少（見圖2b），平衡高度也逐漸降低；當(dāng)進(jìn)口流速達(dá)到4.5 m/s時(shí)（見圖2c），裂縫入口處無支撐劑沉降。當(dāng)壓裂施工結(jié)束后未填充支撐劑的裂縫會(huì)重新閉合，造成井底附近的縮頸現(xiàn)象，大大降低了裂縫整體改造效果。

圖2 不同進(jìn)口速度下的砂堤分布（由右向左流動(dòng)）

3.2 不同流速下的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，根據(jù)所建立的數(shù)值模型，運(yùn)用Fluent軟件模擬支撐劑的鋪置規(guī)律，可以得到裂縫進(jìn)口速度分別為2.5 m/s，3.5 m/s，4.5 m/s條件下的速度矢量圖（見圖3），從圖中可以更明顯地看出湍流對(duì)支撐劑鋪置形態(tài)的影響。攜砂液由射孔孔眼進(jìn)入裂縫后并沒有直接向裂縫深處運(yùn)移，而是在靠近裂縫入口處形成渦旋，將靠近裂縫入口位置處的支撐劑卷起來攜帶到裂縫深處。其結(jié)果與物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。

由于攜砂液在射孔孔眼中的流速要比裂縫中的流速大得多，因此，當(dāng)高速流動(dòng)的攜砂液經(jīng)由射孔孔眼流入裂縫時(shí)由于流速不等而形成渦旋，產(chǎn)生湍流。這種渦旋會(huì)將靠近裂縫入口處的部分支撐劑卷吸起來并不斷移動(dòng)，使得支撐劑進(jìn)入裂縫后無法迅速在裂縫入口處沉降。

圖3 裂縫內(nèi)支撐劑的速度矢量圖

當(dāng)射流速度為2.5 m/s時(shí)，由湍流產(chǎn)生的渦旋較小，部分支撐劑沉降在裂縫入口處，形成砂堤（見圖3a）。隨著射流速度的增大，形成的湍流強(qiáng)度也越來越大，產(chǎn)生的渦旋也越來越明顯（見圖3b）。對(duì)比圖3a，圖3b可以明顯看出，隨著射流速度的增大，靠近裂縫入口處的支撐劑沉降越來越少。當(dāng)射流速度達(dá)到4.5 m/s時(shí)，在靠近裂縫入口整個(gè)裂縫高度上形成一個(gè)大渦旋，將靠近裂縫入口處的支撐劑全部卷吸起來攜帶到裂縫深處，使得支撐劑無法在裂縫入口處沉降（見圖3c）。壓裂施工結(jié)束后未填充支撐劑的裂縫會(huì)重新閉合，形成類似“包餃子”狀的填砂裂縫，大大降低了裂縫入口處的導(dǎo)流能力，即使縫內(nèi)形成良好的填砂裂縫，壓后產(chǎn)能也不會(huì)得到有效的提高。

4 結(jié)論

（1）通過大型裂縫模擬裝置結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent研究了不同排量下裂縫入口效應(yīng)對(duì)支撐劑鋪置規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施工排量越大，湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)支撐劑鋪置的影響也越大。

（2）施工排量過大或過小都不利于支撐劑的鋪置，小排量支撐劑輸送困難，難以將支撐劑輸送到裂縫深處；大排量會(huì)增大湍流強(qiáng)度，形成類似“包餃子”狀的填砂裂縫，降低了裂縫導(dǎo)流能力，影響增產(chǎn)效果。

（3）對(duì)比分析物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投伎梢杂脕砟M支撐劑在裂縫內(nèi)的鋪置規(guī)律。

［1］溫慶志，高金劍，劉華，等.滑溜水?dāng)y砂性能動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：97-100.

［2］Palisch TV.Slickwater fracturing-food for thought［R］.SPE 115766，2008.

［3］R.E.Babcock，C.L.Prolop，R.O.Kehle.Distribution of Propping Agents in Vertical Fractures［C］.The spring meeting of the mid-contment district，DOE67-207，1967.

［4］溫慶志，等.滑水壓裂裂縫內(nèi)砂堤形成規(guī)律［J］.特種油氣藏，2013，20（3）：137-139.

［5］溫慶志，翟恒立，羅明良，等.頁巖氣藏壓裂支撐劑沉降及運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（6）：104-107.

［6］溫慶志，等.水力壓裂單縫中常用壓裂液攜砂性能評(píng)價(jià)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2015，22（4）：123-126.

［7］于勇.Fluent入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：49-54.

Effect of turbulence on proppant laid law

HUI Feng
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

The purpose of hydraulic fracturing is to lay the proppant in the generated cracks.The distribution of proppant in fractures determines the yield and the conductivity of fractures which filled with proppant.In order to study the turbulence on proppant laying,using large-scale visual fracture simulation device to study the simulation experiments of proppant laying.At the same time,the proppant laying was simulated by means of Eulerian two-phase model of Fluent software.The experimental results show that with the increasing of pumping rate,the turbulence intensity of the formation of the crack at the entrance is getting stronger and stronger,which makes the laying of proppant near the entrance is less and less until without proppant laying and greatly reducing the conductivity of fracture.This research can provide help for the design of reasonable construction displacement in the construction of hydraulic fracturing.

turbulence；proppant；laid law；simulation experiments

TE357.12

A

1673-5285（2017）01-0036-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.011

2016－12-02

陜西省重大科學(xué)技術(shù)難題攻關(guān)項(xiàng)目“陸相頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)”，項(xiàng)目編號(hào)：2012KTZB03-03-03-02。

惠峰，男（1990-），西安石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程在讀研究生，郵箱：215957764@qq.com。