[发明专利]一种支撑剂嵌入和裂缝导流能力定量预测的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种支撑剂嵌入和裂缝导流能力定量预测的数值模拟方法，它包括以下步骤：S1、建立还原支撑剂真实尺寸的物理模型；S2、对模型上岩层和下岩层表面施加闭合压力，上岩层与下岩层裂缝面颗粒的平均高度之差为裂缝闭合宽度w；S3、对填充层进行流场网格离散，使流场包裹支撑剂，设置流体的黏度、密度、流场两端的流体压力；S4、计算流场总流量q；S5、计算渗透率和导流能力；S6、改变岩层或流体物性参数，绘制不同铺砂浓度支撑剂的导流能力随闭合应力的变化曲线图。本发明的有益效果是：能够模拟裂缝闭合、支撑剂嵌入、颗粒与流体互作用的真实过程，可达到有效预测导流能力动态变化。

技术领域

本发明涉及石油与天然气开发领域，特别是一种支撑剂嵌入和裂缝导流能力定量预测的数值模拟方法。

背景技术

水力压裂过程中，水力裂缝起裂并延伸，支撑剂随压裂液进入储层，在主裂缝内大量运移并沉降形成多层支撑剂铺置形式。水力压裂结束后，压裂液返排至地面，支撑剂颗粒受裂缝壁面的挤压而停留在裂缝内。支撑剂支撑水力裂缝，形成一条连接储层和井筒的高渗透通道。支撑裂缝的导流能力即为支撑剂充填层的渗透率乘以裂缝的宽度。

由于裂缝内支撑剂的孔隙度及渗透率难以通过井下装置测量获得，因而也就难以实地测定铺砂层的导流能力，目前支撑裂缝的导流能力仅能通过室内裂缝导流能力实验获取。根据API RP 61支撑剂短期导流能力测试的标准，当支撑剂导流能力的变化不超过5％时(通常小于50个小时)，即为所测支撑剂的导流能力。许多学者开展的裂缝导流能力室内实验，均属于支撑剂的短期导流能力。近几年，国内外一些学者将支撑剂的导流能力实验时间延长至50个小时以上。有文献显示，室内可以测得1-6个月相对长时间的裂缝导流能力。但高温高压的实验条件对实验设备的要求较高，测试周期长、难度大、成本高。

相对于裂缝导流能力室内实验方法，简化的解析模型和数值模拟方法就变得更加经济快捷。Khanna等人采用赫兹接触理论和叠加原理建立了单层支撑剂的嵌入模型，通过计算流体力学软件模拟了单层支撑剂铺置的流动特征(Khanna A,Kotousov A,Sobey J,etal.Conductivity of narrow fractures filled with a proppant monolayer[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2012,100:9-13)。Gao和Li等人给出了单层、多层支撑剂的接触和嵌入模型，能够计算特定闭合压力下的支撑剂接触、嵌入和裂缝开度变化情况(Li K,Gao Y,Lyu Y,et al.New mathematical models for calculatingproppant embedment and fracture conductivity[J].SPE Journal,2015,20(03):496-507)。Neto和Kotousov基于分布位错法考虑了支撑剂的非线性压缩性，利用一个半解析模型来计算具有支撑剂充填的裂缝开度(Neto L B,Kotousov A.Residual opening ofhydraulic fractures filled with compressible proppant[J].InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2013,61:223-230)。Guo et al提出了考虑岩石蠕变效应的支撑剂长期嵌入模型(Guo J,Liu Y.Modeling of proppantembedment:elastic deformation and creep deformation[C]//SPE InternationalProduction and Operations Conference&Exhibition.Society of PetroleumEngineers,2012)。由于支撑剂颗粒的尺寸过小(0.15mm～0.83mm)，相对于地层岩石而言存在严重的尺度不匹配问题；岩石的塑性、支撑剂颗粒与支撑剂颗粒之间的接触、支撑剂与岩石的互作用、支撑剂充填层与流体的流固耦合作用等，难以采用简单的解析模型来描述支撑剂颗粒和页岩高度非线性接触的复杂力学问题。同时，这些解析模型通常只能粗糙预测裂缝开度及支撑剂嵌入程度，而对导流能力的计算则仍需借助达西公式，且无法考虑流固耦合作用对实际导流能力的动态影响。