粗糙裂缝压裂暂堵剂运移规律数值模拟

为精准刻画球形暂堵剂在粗糙裂缝内运移规律及研究颗粒之间相互作用机理,构建具有长度相等的阶梯粗糙裂缝物理模型和CT扫描真实粗糙裂缝模型,基于离散相(DPM)多相流模型表征暂堵剂颗粒之间相互作用,采用流体流动与暂堵剂颗粒运移的双向耦合算法,分析裂缝表面粗糙度、暂堵剂颗粒直径、颗粒体积分数、颗粒速度和暂堵剂携带液黏度对暂堵剂在粗糙裂隙内运移的影响规律。结果表明:暂堵剂颗粒直径越大,对颗粒速度影响越小;随暂堵剂颗粒体积分数和颗粒速度的增大,颗粒受平均作用力逐渐增大;随暂堵剂携带液黏度的增加,颗粒速度和缝内流体在近壁处的速度逐渐降低,与光滑裂缝的模拟结果相反;粗糙裂缝颗粒受平均作用力是光滑裂缝的30.7~37.2倍。该结果为分析暂堵转向压裂施工过程中暂堵剂在粗糙裂缝内的运移规律提供参考。

CFD-DEM耦合的干热岩人工裂隙内暂堵剂运移规律研究

暂堵转向压裂技术是提高干热岩采热能力的最具潜力技术之一,现有的针对暂堵剂在裂缝内运移过程的数值模拟研究模型相对简化,难以对暂堵剂在裂隙内复杂流动过程进行精准的刻画,无法捕捉颗粒在裂隙内的真实运动及其相互作用。为了准确捕捉暂堵剂在干热岩人工裂隙内的运移规律及颗粒间相互作用机理,本文对裂隙内的颗粒运动和流体流动采用基于欧拉—拉格朗日的描述方法,通过计算流体力学(CFD)与离散元(DEM)双向耦合的计算方法,建立了颗粒型暂堵剂在人工裂隙内运移过程的CFD-DEM耦合模型。数值模拟结果表明,影响干热岩人工裂隙中暂堵剂运移规律的主要因素包括:携带液黏度、暂堵剂质量浓度、携带液流动状态和颗粒间摩擦系数等,其中颗粒间摩擦系数对裂隙内颗粒间相互作用力影响相对较小,颗粒间因摩擦产生的作用力相对较小,难以克服流体流动对颗粒速度的影响。携带液黏度由0.03 mPa·s提升至120 mPa·s的过程中,暂堵剂在缝内的平均运动速度降低超过77%,随黏度增大,暂堵剂颗粒在裂缝内运动速度增幅逐渐降低,出口处颗粒速度及携带液流量明显减小;随暂堵剂质量浓度增大,颗粒间相互作用力不断增大,暂堵剂运动达到相对稳定的状态后,颗粒质量浓度增大一倍,颗粒间的相互作用力增大超过43.8%;当裂缝内携带液出现局部湍流现象时,暂堵剂颗粒运动速度与颗粒间相互作用力明显发生变化,颗粒间相互作用较力正常流动情况下增大超过150倍。本论文的研究成果对指导干热岩暂堵转向压裂的暂堵剂用量优化具有重要理论及指导意义。

干热岩人工裂隙内暂堵剂运移规律研究

为了准确捕捉暂堵剂在干热岩暂堵转向压裂过程中人工裂隙内的运移规律,通过计算流体力学(CFD)与离散元(DEM)双向耦合的计算方法,建立了颗粒型暂堵剂在人工裂隙内运移过程的数理模型。模拟结果表明,影响运移规律的主要因素包括:干热岩壁面温度、暂堵剂质量浓度及流态,而颗粒间摩擦系数影响较小;干热岩壁面温度升高300 K,暂堵剂颗粒在干热岩人工裂隙内部运动速度平均升高接近60%,颗粒间相互作用力增大超过19.2倍;随着质量浓度的增大,颗粒间相互作用力也将随之更大;当裂隙内出现湍流现象时,暂堵剂颗粒运动速度与相互作用力急剧增大。

基于CFD-DEM耦合的粗糙裂缝内暂堵剂运移规律研究

为准确捕捉裂缝表面粗糙度对暂堵剂在干热岩粗糙裂缝内运移规律的影响,本文分别构建了矩形、三角形和半圆形干热岩粗糙裂缝物理模型,提出了一种描述人工裂缝表面粗糙度的方法,然后基于CFD-DEM双向耦合多相流模型,分析了裂缝表面粗糙度等因素对粗糙暂堵剂缝内运移规律的影响。结果表明:缝内颗粒速度随裂缝表面粗糙度增量的减小而逐渐减小;颗粒受力随裂缝表面粗糙度增加呈正态分布;颗粒温度受裂缝表面粗糙度影响较小。