本發(fā)明涉水力壓裂，特別是涉及一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法。

背景技術：

1、為了降低生產成本，提升壓裂施工效果，采用低粘滑溜水攜砂已經成為頁巖氣、致密氣等儲層壓裂施工的主要措施。以頁巖儲層為例，體積壓裂存在滑溜水攜砂性能差、裂縫閉合時間長、裂縫壁對支撐劑夾持力弱等難題。返排時頁巖儲層裂縫可能尚未完全閉合，使得裂縫壁面對支撐劑的夾持力比較微弱，在壓裂液及天然氣的高速沖刷下，支撐劑被拖拽入井筒。

2、目前針對支撐劑回流的原因，主要有兩種，一是返排時縫內流速過大使得砂堤表面支撐劑流化，從而引起大量支撐劑回流，二是支撐劑充填層在射孔附近形成半球狀砂拱，當砂體力學平衡被破壞時，充填層失穩(wěn)回流。

3、使用纖維是提高砂體強度的一種方法，在現有技術中，主要通過數學模型和實驗方法來分析纖維作用機理，且研究主要針對砂體力學平衡被破壞時的纖維穩(wěn)砂機理，針對流體流化砂堤時纖維防砂機理的研究較少，手段較為單一。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，通過建立纖維模型，使用流固耦合方法研究纖維的穩(wěn)砂機理，即能研究不同纖維長度、不同纖維濃度和不同纖維混合比例的穩(wěn)砂和固砂能力，從而進一步研究纖維控制支撐劑回流作用機理。

2、本發(fā)明是通過采用下述技術方案實現的：

3、一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，包括以下步驟：

4、步驟s1.建立返排簡化的裂縫網格模型，設定裂縫壓裂液進口和壓裂液出口；

5、步驟s2.設定支撐劑顆粒模型，包括設定顆粒的基本性質以及顆粒間接觸模型，再利用堆積實驗法標定顆粒間接觸模型的參數；使用bonding?v2模型建立柔性纖維，對纖維尺寸和bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定；

6、步驟s3.根據設定的質量比例，將纖維和支撐劑在裂縫中進行堆積；

7、步驟s4.在有限元軟件中，設定流動方程、壓裂液材料屬性以及裂縫進出口流速參數；

8、步驟s5.讀取耦合文件，開始模擬返排，并對計算結果進行后處理。

9、還包括步驟s6.改變纖維長度、纖維濃度和不同纖維混合比例，進行多次返排模擬。

10、所述裂縫網格模型是基于流體力學方法建立。

11、所述顆粒間接觸模型采用hertz-mindlin無滑移接觸模型。

12、利用堆積實驗法標定顆粒間接觸模型的參數具體指：

13、通過堆積實驗，得到支撐劑顆粒的堆積角；在離散軟件中調整顆粒間接觸模型的參數，即調整顆粒間的摩擦系數、恢復系數以及動摩擦系數，數值模擬得到不同參數下的支撐劑在平面上堆積形成的坡面角，并將其與堆積角進行對比，若誤差在10％以內，則將該坡面角所對應的參數標定為顆粒間接觸模型的參數。

14、對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定具體指：通過試錯法對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定。

15、對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定具體指：對裂縫的流動區(qū)域內纖維分布角度進行統(tǒng)計；將纖維注入裂縫中，通過試錯法，調整bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數，觀察相同流速時，數值模擬得到的纖維角度，并將其與統(tǒng)計的裂縫的流動區(qū)域內纖維分布角度進行比較，若吻合，將對應的參數標定為bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數。

16、所述bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數包括單位面積法向剛度、法向范圍、單位面積切向剛度、切向范圍、臨界法向應力和臨界剪切應力。

17、所述流動方程為k-ε模型。

18、所述步驟s5中，計算結果包括顆粒的運動狀態(tài)、顆粒速度以及纖維受力的數據。

19、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果表現在：

20、1、本發(fā)明提供的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，首先建立了數值模擬所需要的各種模型，通過流固耦合的方法，研究返排時，不同纖維長度、纖維濃度以及不同纖維混合比例的穩(wěn)砂固砂能力。具有操作簡單，計算效率高的優(yōu)點。

21、2、針對纖維的本構方程，現有技術主要是通過單軸實驗獲取，而實際壓裂所用纖維直徑極小，通過拉伸壓縮實驗較難進行標定。本發(fā)明通過獲取的纖維分布角度，試錯法得到的纖維基本參數，更符合實際情況。

22、3、通過數值模擬方法研究穩(wěn)砂性具有計算效率高的特點，完成一組沖刷或者纖維增強支撐劑充填層穩(wěn)定性的實驗評價，需要12h的時間。而一組返排數值模擬方法，48核計算機僅需要模擬4小時。大大提高了計算效率。有利于現場對纖維參數的快速篩選。其中，纖維增強支撐劑充填層穩(wěn)定性的實驗評價具體指：把纖維和支撐劑均勻混合后放入支撐劑測試儀導流室的平板之間，形成約3～4mm厚的人工裂縫然后在平板上緩饅加壓模擬地層裂縫逐漸閉合和夾持住支撐劑的情況。最后用不同濃度的壓裂液沖刷人工裂縫,記錄人工裂縫支撐劑產出的臨界出砂流量。同時進行對比實驗,即僅用支撐劑作實驗，然后記錄人工裂縫的臨界出砂流量。兩者對比，即可定量評價纖維對增強支撐劑充填層的穩(wěn)定性的貢獻大小。

23、4、研究了返排時，不同纖維長度和纖維濃度的穩(wěn)砂和固砂能力。我們發(fā)現，提高纖維長度和纖維濃度后，流體沖刷時砂堤更難被沖刷。例如1.2％濃度纖維的臨界出砂速度為2.21m/s，而0.4％濃度纖維臨界出砂速度為1.8m/s。說明提高纖維濃度后，有效提高了砂體的穩(wěn)砂性。

技術特征：

1.一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：還包括步驟s6.改變纖維長度、纖維濃度和不同纖維混合比例，進行多次返排模擬。

3.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：所述裂縫網格模型是基于流體力學方法建立。

4.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：所述顆粒間接觸模型采用hertz-mindlin無滑移接觸模型。

5.根據權利要求4所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：利用堆積實驗法標定顆粒間接觸模型的參數具體指：

6.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定具體指：通過試錯法對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定。

7.根據權利要求6所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：對bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數進行標定具體指：對裂縫的流動區(qū)域內纖維分布角度進行統(tǒng)計；將纖維注入裂縫中，通過試錯法，調整bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數，觀察相同流速時，數值模擬得到的纖維角度，并將其與統(tǒng)計的裂縫的流動區(qū)域內纖維分布角度進行比較，若吻合，將對應的參數標定為bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數。

8.根據權利要求6或7所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：所述bonding?v2模型中各顆粒元之間的參數包括單位面積法向剛度、法向范圍、單位面積切向剛度、切向范圍、臨界法向應力和臨界剪切應力。

9.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：所述流動方程為k-ε模型。

10.根據權利要求1所述的一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，其特征在于：所述步驟s5中，計算結果包括顆粒的運動狀態(tài)、顆粒速度以及纖維受力的數據。

技術總結
本發(fā)明涉水力壓裂技術領域，特別是涉及一種模擬含纖維支撐劑返排數值方法，包括：建立返排簡化的裂縫網格模型，設定裂縫壓裂液進口和壓裂液出口；設定支撐劑顆粒模型，包括設定顆粒的基本性質以及顆粒間接觸模型，再利用堆積實驗法標定顆粒間接觸模型的參數；使用Bonding?V2模型建立柔性纖維，對纖維尺寸和Bonding?V2模型中各顆粒元之間的參數進行標定；根據設定的質量比例，將纖維和支撐劑在裂縫中進行堆積；在有限元軟件中，設定流動方程、壓裂液材料屬性以及裂縫進出口流速參數；讀取耦合文件，開始模擬返排，并對計算結果進行后處理。通過本方法，能研究不同纖維長度、不同纖維濃度和不同纖維混合比例的穩(wěn)砂和固砂能力。

技術研發(fā)人員：王一萱,李彥超,鄧才,李宜真,鄒龍慶,萇北,肖劍鋒,馮強,李俊翔,文歡
受保護的技術使用者：中國石油天然氣集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8