[发明专利]一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法

说明书

本发明涉及一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，该方法对暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内的运移过程进行研究，构建了粗糙裂隙物理模型，将流体视作连续相，将暂堵剂看作离散相，既考虑流体流动对暂堵剂运动的影响，又考虑暂堵剂运动对流体的影响，还考虑温度变化和裂隙粗糙表面对暂堵剂力学封堵性能的影响，从而实现连续相和离散相的双向耦合计算，达到同时考虑连续相和离散相相互作用，准确求解流‑固双向耦合问题的目的。单个暂堵剂的运动遵循牛顿第二运动定律，在拉格朗日坐标系下求解其运动方程，得到不同时刻暂堵剂的位置、速度和受力情况等信息，从而克服了欧拉‑欧拉描述方法的缺陷，真实地反映了暂堵剂在流场中的运动过程。

技术领域

本发明涉及数值模拟技术领域，具体涉及一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，人们长期所依赖的常规能源，如煤、石油、天然气等都是一次性不可再生能源，而且在利用这些常规能源时不可避免地对人类生存环境产生巨大的污染。因此，学者们都在积极寻找其他清洁的、可再生的新型替代能源。

干热岩是一种清洁、可再生，其内部没有或极少量含有水或蒸汽的热岩体能源，主要由各种变质岩或结晶类岩体组成，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。其埋深较浅、温度较高、有开发经济价值，保守估计地壳中干热岩(3-10km深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。

水力压裂技术是提取干热岩资源地热能的一项重要技术，常规水力压裂形成的缝网结构较为单一，因此干热岩采热效率往往不够理想。暂堵转向压裂是提高干热岩缝网复杂程度的一项新技术手段，通过向人工裂隙内加入暂堵剂，提升缝内净压力，迫使人工裂隙发生转向，以增加人工缝网复杂程度。因此，需要对暂堵剂在裂隙内的输运过程有着精准的认识。

目前，针对暂堵剂在干热岩裂隙内输运过程的研究方法主要有实验研究和数值模拟研究两种。

现阶段实验研究主要通过影响暂堵剂在裂隙内输运过程的相关参数，如暂堵剂浓度、注入速度等，对暂堵剂对人工裂隙封堵情况进行研究，然而实验过程中无法观察到暂堵剂缝内运移过程。为了克服这一问题，相关学者开发了配有高速摄像机的暂堵实验装置，但该装置无法模拟地层中的高压阻力，难以复现真实工况下暂堵剂在干热岩裂隙内的流动状态。因此，实验研究难以对暂堵剂在裂隙内的运移过程进行精准刻画。

数值模拟研究通过将暂堵剂在裂隙内的输运过程抽象为流体-颗粒两相流在光滑平行板裂隙模型内输运过程的问题进行分析，通常采用的数值模拟方法主要为欧拉-欧拉描述方法。欧拉-欧拉描述方法的数学方程中暂堵剂(固体)和流体的运动方程均采用欧拉描述进行计算。该方法中，流体相被处理为连续介质，固体相则被处理为拟流体，使其动力学特性与液相类似，流体相和拟流体相控制方程组表达形式一致，这种方法具有较快的计算速度。但是该方法对暂堵剂的连续性假设削弱了固-液两相流动的真实性，暂堵剂的材料属性及暂堵剂间相互作用等信息无法得到体现，模拟结果无法展示暂堵剂的复杂运动过程，从而无法准确、真实地揭示暂堵剂的运移机理。因此，现阶段对暂堵剂在干热岩缝内输运过程的数值模拟研究主要存在三个问题：首先，现有的暂堵剂运移数学模型未考虑高温作用下暂堵剂力学封堵性能的影响，无法准确刻画干热岩流动换热过程中裂隙内温度变化对封堵效率的影响；其次，现阶段数值模拟研究所用的物理模型通常为光滑平行板模型，未考虑裂隙粗糙表面对暂堵剂输运过程的影响；最后，基于欧拉-欧拉描述方法的数值模拟研究难以准确揭示暂堵剂缝内运移机理。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，以解决现有技术中数值模拟无法真实反映暂堵剂运动状态的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，包括：