湍流效應對支撐劑鋪置規律的影響

惠峰

（西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

湍流效應對支撐劑鋪置規律的影響

惠峰

（西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

進行水力壓裂的目的就是將支撐劑鋪置于已產生的裂縫中，支撐劑在裂縫內的分布規律決定了壓裂后填砂裂縫的導流能力和增產效果。為了研究湍流對支撐劑鋪置的影響，利用大型可視化裂縫模擬裝置進行了支撐劑鋪置模擬實驗，同時運用Fluent模擬軟件中的歐拉兩相流模型對支撐劑的鋪置進行數值模擬研究。實驗結果表明，隨著壓裂施工排量的增大，裂縫入口處形成的湍流強度越強，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流能力。其研究結果可為水力壓裂施工中設計合理的施工排量提供幫助。

湍流；支撐劑；鋪置規律；模擬實驗

隨著國內外頁巖氣資源的有效開發，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用于低滲-特低滲非常規油氣藏[1]。與傳統的交聯壓裂液相比，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，形成具有高導流能力的填砂裂縫[2]。目前關于支撐劑在裂縫內的沉降規律研究主要集中在室內物理實驗模擬以及理論計算推導。國外關于支撐劑鋪置規律實驗研究較早，早在1967年Babcock就采用平行透明樹脂板對支撐劑在裂縫中的分布進行了實驗[3]，國內關于滑溜水壓裂支撐劑的鋪置規律研究較晚，近些年溫慶志運用透明平行板垂直裂縫物理模型，對滑溜水壓裂過程中支撐劑在裂縫中的鋪置規律進行了分析[4-6]。

但到目前為止，對于大排量下滑溜水壓裂支撐劑鋪置規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。鑒于此，本文在前人的基礎上，通過大型可視化裂縫模擬裝置結合Fluent模擬軟件，運用室內物理實驗和軟件數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，對比研究不同施工排量下湍流對支撐劑鋪置規律的影響。

1 實驗方案設計

1.1 實驗儀器

為了研究攜砂液通過射孔孔眼時不同湍流強度下的支撐劑砂堤形態分布，利用大型可視化裂縫模擬裝置，對支撐劑鋪置進行模擬實驗（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3 m，高0.5 m，縫寬可調的有機玻璃板組成，裂縫板左右中部各有一個大小一致的進出口（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 實驗方案

本次實驗是為了模擬支撐劑在裂縫內的沉降規律，因此實驗過程中所采用的流體流速應與實際壓裂施工中的流速相同。根據相似原理，由壓裂施工排量、裂縫高度及裂縫寬度可折算出實驗過程中的縫內流速。

實驗首先在混砂池內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，通過調節螺桿泵的頻率，即可得到不同流速下的支撐劑鋪置實驗。當裂縫平行板內出現支撐劑時利用高清攝像機進行全程錄像，記錄支撐劑的沉降運移過程。實驗過程中保持壓裂液黏度、支撐劑粒徑、支撐劑視密度、砂比等參數不變，通過對比不同流速下支撐劑砂堤的堆積形態，研究湍流對縫內支撐劑鋪置規律的影響。具體參數（見表1）。

表1 實驗參數

2 數值模型建立

計算流體力學分析首先是根據模擬對象建立幾何模型并進行網格劃分，將計算區域離散化，劃分為多個子區域進行計算，將具體問題轉化為Fluent求解器可以接受的形式。根據本次所用實驗裝置模型建立二維矩形裂縫模型，縫高和縫長與實驗模擬裝置一致，裂縫左右各有一個進出口。所建立的裂縫壁面均采用光滑靜止固壁，與實驗裝置保持一致，最后采用MAP方法生成四邊形網絡，導入到Fluent軟件中進行求解。

模型的入口邊界采用速度入口，給定湍流強度和水力半徑，出口為自由流動。設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、密度與實際物理實驗條件相一致，設定收斂各項殘差小于10-4。

3 結果分析

3.1 不同流速下的物理模擬實驗

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

裂縫進口速度為2.5 m/s時最終形成的砂堤形態（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；當進口流速達到4.5 m/s時（見圖2c），裂縫入口處無支撐劑沉降。當壓裂施工結束后未填充支撐劑的裂縫會重新閉合，造成井底附近的縮頸現象，大大降低了裂縫整體改造效果。

圖2 不同進口速度下的砂堤分布（由右向左流動）

3.2 不同流速下的數值模擬實驗

在相同的實驗條件下，根據所建立的數值模型，運用Fluent軟件模擬支撐劑的鋪置規律，可以得到裂縫進口速度分別為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支撐劑鋪置形態的影響。攜砂液由射孔孔眼進入裂縫后并沒有直接向裂縫深處運移，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。其結果與物理模擬實驗結果較為一致。

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，當高速流動的攜砂液經由射孔孔眼流入裂縫時由于流速不等而形成渦旋，產生湍流。這種渦旋會將靠近裂縫入口處的部分支撐劑卷吸起來并不斷移動，使得支撐劑進入裂縫后無法迅速在裂縫入口處沉降。

圖3 裂縫內支撐劑的速度矢量圖

當射流速度為2.5 m/s時，由湍流產生的渦旋較小，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，形成的湍流強度也越來越大，產生的渦旋也越來越明顯（見圖3b）。對比圖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。當射流速度達到4.5 m/s時，在靠近裂縫入口整個裂縫高度上形成一個大渦旋，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）。壓裂施工結束后未填充支撐劑的裂縫會重新閉合，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流能力，即使縫內形成良好的填砂裂縫，壓后產能也不會得到有效的提高。

4 結論

（1）通過大型裂縫模擬裝置結合計算流體力學軟件Fluent研究了不同排量下裂縫入口效應對支撐劑鋪置規律的影響。實驗結果表明，施工排量越大，湍流強度越強，對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；大排量會增大湍流強度，形成類似“包餃子”狀的填砂裂縫，降低了裂縫導流能力，影響增產效果。

（3）對比分析物理實驗和數值模擬實驗結果表明，兩種實驗模型都可以用來模擬支撐劑在裂縫內的鋪置規律。

［1］溫慶志，高金劍，劉華，等.滑溜水攜砂性能動態實驗［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.滑水壓裂裂縫內砂堤形成規律［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移規律實驗研究［J］.油氣地質與采收率，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價［J］.油氣地質與采收率，2015，22（4）：123-126.

［7］于勇.Fluent入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學出版社，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

陜西省重大科學技術難題攻關項目“陸相頁巖氣儲層壓裂改造工藝技術攻關”，項目編號：2012KTZB03-03-03-02。

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