[发明专利]一种地层尺度下的粗糙裂缝内支撑剂输送数值模拟方法

权利要求书

1.一种地层尺度下的粗糙裂缝内支撑剂输送数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用压裂模拟器Fracpro PT模拟水力压裂过程中，获取水力裂缝扩展过程中的缝长、缝宽和缝高；

S2、采集岩样，将岩样按照步骤S1获取的缝长与缝高等比例缩小至岩心尺寸，并加工成试样，利用人工劈裂的方式获得具有粗糙裂缝面的试样，然后激光扫描获得数字化的裂缝表面粗糙形貌特征参数；

S3、将步骤S2获得的两个数字化的裂缝表面粗糙形貌特征参数按照步骤S1获得的缝长与缝高等比例还原到地层尺度，获得两个具有地层尺度的粗糙裂缝形貌特征参数的裂缝表面；

S4、在三维空间内通过“不错位靠近”的方式获得由两个地层尺度的粗糙裂缝面组成的三维复杂裂缝空间，其中两个裂缝面之间的距离为步骤S1获得的缝宽；

S5、建立地层尺度的粗糙裂缝复杂流动空间几何模型，并通过导入成熟的网格处理软件数值化，建立用于数值模拟的复杂流动空间网格系统；

S6、将步骤S5建立的复杂流动空间网格系统导入Open Foam开源流体力学计算软件，选择将固相支撑剂拟流体化的两流体方法，设置相应的边界条件，模拟支撑剂在地层尺度的粗糙裂缝内的运动过程，最终获得水力压裂结束后地层尺度的粗糙裂缝内的支撑剂输送特征；

步骤S6包括以下子步骤：

S61、将导出的“.msh”格式文件导入Open Foam开源流体力学计算软件中；

S62、根据裂缝模型几何尺寸，将现场施工排量转换为线速度并作为模拟初始速度，同时将现场施工砂比或砂浓度转化为液、固两相体积分数并作为模型初始相分数场；

S63、使用广义颗粒温度Θ表征固相运动，广义颗粒温度Θ的计算公式如下：

式中，Θ_t——颗粒温度，即颗粒平移速度波动产生的动能相关项；

Θ_c——固相构型温度，即固相形变速度波动产生的动能相关项；

ε_s——固相体积分数，小数；

ρ_s——支撑剂密度，kg/m³；

κ_s——颗粒能量扩散系数，J·s/m3；

J_s——单位体积内因颗粒非弹性碰撞产生的能量耗散，J/(m³·s)；

Π_s——单位体积内因相间能量交换产生的能量耗散，J/(m³·s)；

u_s——颗粒平均速度，m/s；

ξ^s——固相应力张量，Pa；

β——常数，通过实验获得；

D——常数，与颗粒内摩擦角有关；

t——系综平均的时间范围，s；

d——颗粒粒径，m；

S64、计算固相剪切黏度μ_s，计算公式如下：

式中，μ_s,k——颗粒传输和碰撞产生的剪切黏度，mPa·s；

μ_s,f——固相接触摩擦产生的剪切黏度，mPa·s；

α——固相黏性常数，取1.6；

μ_s^*——考虑颗粒间流体影响的固相黏性系数，mPa·s；

β_c——固、液动量交换系数；

S_s——固相剪切形变量，s^-1；

d——颗粒粒径，m；

p_c——固相临界压力，Pa；

n——屈服曲线形状因子；

Fr、r'、s'——摩擦模型系数，通过实验确定(默认值分别取0.05、2和5)；

φ——颗粒内摩擦角，通过实验测定；

——产生摩擦作用的最小固相体积分数，取50％；

S65、根据如下公式分别求解液、固两相的速度场和相分数场，最终通过固相分数的分布变化反映支撑剂在裂缝中的输运情况：

式中：ε_f——固相体积分数，小数；

ρ_f——液相密度，kg/m³；

u_f——液相流速，m/s；

ξ——液相应力张量，Pa；

nf_i'——单位面积流-固相互作用，N/m³。