一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟：S1、建立還原支撐劑真實(shí)尺寸的物理模型；S2、對(duì)模型上巖層和下巖層表面施加閉合壓力，上巖層與下巖層裂縫面顆粒的平均高度之差為裂縫閉合寬度w；S3、對(duì)填充層進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格離散，使流場(chǎng)包裹支撐劑，設(shè)置流體的黏度、密度、流場(chǎng)兩端的流體壓力；S4、計(jì)算流場(chǎng)總流量q；S5、計(jì)算滲透率和導(dǎo)流能力；S6、改變巖層或流體物性參數(shù)，繪制不同鋪砂濃度支撐劑的導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)圖。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的有益效果是：能夠模擬裂縫閉合、支撐劑嵌入、顆粒與流體互作用的真實(shí)過(guò)程，可達(dá)到有效預(yù)測(cè)導(dǎo)流能力動(dòng)態(tài)變化。

A numerical simulation method for the embedment of proppant and the quantitative prediction of fracture conductivity

The invention discloses a method for numerical simulation of predicting agents embedded and fracture conductivity quantitative support, which comprises the following steps: S1, a physical model for the reduction of proppant size of real; S2, applied pressure on the closed model of rock and rock surface, the average height of rock and rock crack particle difference for W S3, the width of crack closure; flow field grid discretization on the filler layer, the flow field of coated proppant, fluid viscosity, flow pressure set at both ends of the fluid density, S4, total flow field calculation; Q; S5, calculation of permeability and conductivity; S6, change of strata or fluid physical parameters, curve draw the diversion ability of different sand concentration of proppant with closure stress. The beneficial effect of the invention is that it can simulate the real process of crack closure, proppant embedding and particle to fluid interaction, and can effectively predict the dynamic change of diversion capacity.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法
本專(zhuān)利技術(shù)涉及石油與天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，特別是一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法。
技術(shù)介紹
水力壓裂過(guò)程中，水力裂縫起裂并延伸，支撐劑隨壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層，在主裂縫內(nèi)大量運(yùn)移并沉降形成多層支撐劑鋪置形式。水力壓裂結(jié)束后，壓裂液返排至地面，支撐劑顆粒受裂縫壁面的擠壓而停留在裂縫內(nèi)。支撐劑支撐水力裂縫，形成一條連接儲(chǔ)層和井筒的高滲透通道。支撐裂縫的導(dǎo)流能力即為支撐劑充填層的滲透率乘以裂縫的寬度。由于裂縫內(nèi)支撐劑的孔隙度及滲透率難以通過(guò)井下裝置測(cè)量獲得，因而也就難以實(shí)地測(cè)定鋪砂層的導(dǎo)流能力，目前支撐裂縫的導(dǎo)流能力僅能通過(guò)室內(nèi)裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)獲取。根據(jù)APIRP61支撐劑短期導(dǎo)流能力測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)支撐劑導(dǎo)流能力的變化不超過(guò)5％時(shí)(通常小于50個(gè)小時(shí))，即為所測(cè)支撐劑的導(dǎo)流能力。許多學(xué)者開(kāi)展的裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，均屬于支撐劑的短期導(dǎo)流能力。近幾年，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者將支撐劑的導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至50個(gè)小時(shí)以上。有文獻(xiàn)顯示，室內(nèi)可以測(cè)得1-6個(gè)月相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的裂縫導(dǎo)流能力。但高溫高壓的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高，測(cè)試周期長(zhǎng)、難度大、成本高。相對(duì)于裂縫導(dǎo)流能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)化的解析模型和數(shù)值模擬方法就變得更加經(jīng)濟(jì)快捷。Khanna等人采用赫茲接觸理論和疊加原理建立了單層支撐劑的嵌入模型，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬了單層支撐劑鋪置的流動(dòng)特征(KhannaA,KotousovA,SobeyJ,etal.Conductivityofnarrowfracturesfilledwithaproppantmonolayer[J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2012,100:9-13)。Gao和Li等人給出了單層、多層支撐劑的接觸和嵌入模型，能夠計(jì)算特定閉合壓力下的支撐劑接觸、嵌入和裂縫開(kāi)度變化情況(LiK,GaoY,LyuY,etal.Newmathematicalmodelsforcalculatingproppantembedmentandfractureconductivity[J].SPEJournal,2015,20(03):496-507)。Neto和Kotousov基于分布位錯(cuò)法考慮了支撐劑的非線(xiàn)性壓縮性，利用一個(gè)半解析模型來(lái)計(jì)算具有支撐劑充填的裂縫開(kāi)度(NetoLB,KotousovA.Residualopeningofhydraulicfracturesfilledwithcompressibleproppant[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2013,61:223-230)。Guoetal提出了考慮巖石蠕變效應(yīng)的支撐劑長(zhǎng)期嵌入模型(GuoJ,LiuY.Modelingofproppantembedment:elasticdeformationandcreepdeformation[C]//SPEInternationalProductionandOperationsConference&Exhibition.SocietyofPetroleumEngineers,2012)。由于支撐劑顆粒的尺寸過(guò)小(0.15mm～0.83mm)，相對(duì)于地層巖石而言存在嚴(yán)重的尺度不匹配問(wèn)題；巖石的塑性、支撐劑顆粒與支撐劑顆粒之間的接觸、支撐劑與巖石的互作用、支撐劑充填層與流體的流固耦合作用等，難以采用簡(jiǎn)單的解析模型來(lái)描述支撐劑顆粒和頁(yè)巖高度非線(xiàn)性接觸的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，這些解析模型通常只能粗糙預(yù)測(cè)裂縫開(kāi)度及支撐劑嵌入程度，而對(duì)導(dǎo)流能力的計(jì)算則仍需借助達(dá)西公式，且無(wú)法考慮流固耦合作用對(duì)實(shí)際導(dǎo)流能力的動(dòng)態(tài)影響。采用數(shù)值模擬的方法則可準(zhǔn)確而高效地預(yù)測(cè)導(dǎo)流能力的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)由于其有較強(qiáng)的流程性，可通過(guò)計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言將此計(jì)算過(guò)程匯編為一套計(jì)算程序，僅需輸入合適的模擬參數(shù)便可得到導(dǎo)流能力的預(yù)測(cè)結(jié)果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種能夠模擬裂縫閉合、支撐劑嵌入、顆粒與流體互作用的真實(shí)過(guò)程，可達(dá)到有效預(yù)測(cè)導(dǎo)流能力動(dòng)態(tài)變化的目的的支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法。本專(zhuān)利技術(shù)的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟：S1、根據(jù)巖層地質(zhì)條件與力學(xué)特征，建立還原支撐劑真實(shí)尺寸的巖層-支撐劑-巖層物理模型；S2、對(duì)模型上巖層和下巖層表面施加閉合壓力，上巖層與下巖層裂縫面顆粒的平均高度之差為裂縫閉合寬度w；S3、對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格離散，使流場(chǎng)包裹支撐劑，設(shè)置流體的黏度、密度以及流場(chǎng)兩端的流體壓力；S4、計(jì)算流場(chǎng)總流量q；S5、計(jì)算滲透率和導(dǎo)流能力；S6、改變巖層或流體物性參數(shù)，繪制不同鋪砂濃度支撐劑的導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)圖。所述的巖層-支撐劑-巖層物理模型中上層顆粒構(gòu)成上巖層，下層顆粒構(gòu)成下巖層，中間顆粒構(gòu)成支撐劑填充層。本專(zhuān)利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)巖層與支撐劑顆粒模型的伺服加載過(guò)程還原了支撐劑在地層裂縫中擠壓、嵌入的非線(xiàn)性作用機(jī)理，避免了解析模型無(wú)法準(zhǔn)確描述巖石顆粒間、支撐劑顆粒間、巖石與支撐劑間接觸行為的缺點(diǎn)；通過(guò)改變巖層顆粒及支撐劑顆粒的參數(shù)，可達(dá)到模擬不同地質(zhì)特征巖性及不同類(lèi)型支撐劑的效果。(2)本專(zhuān)利技術(shù)考慮了地層流體與支撐劑填充層的流固耦合作用，通過(guò)耦合作用的考慮實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)流能力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的預(yù)測(cè)，不再僅將滲透率或孔隙度作為填充層對(duì)導(dǎo)流能力的影響因素，提高了模型的準(zhǔn)確性。(3)模擬過(guò)程中需通過(guò)流場(chǎng)、力場(chǎng)的對(duì)比和誤差容許系數(shù)的設(shè)置來(lái)確認(rèn)結(jié)果的可靠性，可達(dá)到較好的精度要求。(4)本專(zhuān)利技術(shù)流程性強(qiáng)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言將此計(jì)算過(guò)程匯編為一套計(jì)算程序，僅需輸入合適的模擬參數(shù)便可得到導(dǎo)流能力的預(yù)測(cè)結(jié)果。附圖說(shuō)明圖1為本專(zhuān)利技術(shù)中巖層-支撐劑-巖層物理模型初始狀態(tài)示意圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)中巖層-支撐劑-巖層物理模型經(jīng)歷伺服加載后的示意圖；圖3為本專(zhuān)利技術(shù)中支撐劑填充層的流場(chǎng)網(wǎng)格示意圖；圖4為計(jì)算流場(chǎng)流量所選網(wǎng)格示意圖；圖5為巖層模量40GPa、流體黏度為0.001Pa·s、流場(chǎng)入口壓力為100Pa、出口壓力為0、鋪砂濃度為5kg/m2時(shí)，導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)；圖6為巖層模量減小至35GPa、流場(chǎng)入口壓力改為200Pa、改用鋪砂濃度3kg/m2時(shí)，導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)；圖7為巖層模量減小至30GPa、流體黏度改為0.01Pa·s、改用鋪砂濃度4kg/m2時(shí)，導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)；圖8為本專(zhuān)利技術(shù)的流程圖；圖中，1-上巖層，2-下巖層，3-支撐劑填充層，4-離散網(wǎng)格，5-計(jì)算所用網(wǎng)格面；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)做進(jìn)一步的描述，本專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)范圍不局限于以下所述：一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟：S1、根據(jù)巖層地質(zhì)條件與力學(xué)特征，建立還原支撐劑真實(shí)尺寸的巖層-支撐劑-巖層物理模型。巖層-支撐劑-巖層物理模型為采用三軸模擬試驗(yàn)獲得模型物性參數(shù)，通過(guò)與儲(chǔ)層、支撐劑的真實(shí)地質(zhì)條件、力學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，篩選得到合適的模型參數(shù)，并將所得參數(shù)賦予巖層與支撐劑顆粒的物理模型。所述的巖層-支撐劑-巖層物理模型為立方體，模本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法，其特征在于：它包括以下步驟：S1、根據(jù)巖層地質(zhì)條件與力學(xué)特征，建立還原支撐劑真實(shí)尺寸的巖層?支撐劑?巖層物理模型；S2、對(duì)模型上巖層和下巖層表面施加閉合壓力，上巖層與下巖層裂縫面顆粒的平均高度之差為裂縫閉合寬度w；S3、對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格離散，使流場(chǎng)包裹支撐劑，設(shè)置流體的黏度、密度以及流場(chǎng)兩端的流體壓力；S4、計(jì)算流場(chǎng)總流量q；S5、計(jì)算滲透率和導(dǎo)流能力；S6、改變巖層或流體物性參數(shù)，繪制不同鋪砂濃度支撐劑的導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化曲線(xiàn)圖。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種支撐劑嵌入和裂縫導(dǎo)流能力定量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法，其特征在于：它包括以下步驟：S1、根據(jù)巖層地質(zhì)條件與力學(xué)特征，建立還原支撐劑真實(shí)尺寸的巖層-支撐劑-巖層物理模型；S2、對(duì)模型上巖層和下巖層表面施加閉合壓力，上巖層與下巖層裂縫面顆粒的平均高度之差為裂縫閉合寬度w；S3、對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格離散，使流場(chǎng)包裹支撐劑，設(shè)置流體的黏度、密度以及流...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱海燕，沈佳棟，高慶慶，張豐收，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：西南石油大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川,51