湍流效应对支撑剂铺置规律的影响

惠峰

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）

湍流效应对支撑剂铺置规律的影响

惠峰

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）

进行水力压裂的目的就是将支撑剂铺置于已产生的裂缝中，支撑剂在裂缝内的分布规律决定了压裂后填砂裂缝的导流能力和增产效果。为了研究湍流对支撑剂铺置的影响，利用大型可视化裂缝模拟装置进行了支撑剂铺置模拟实验，同时运用Fluent模拟软件中的欧拉两相流模型对支撑剂的铺置进行数值模拟研究。实验结果表明，随着压裂施工排量的增大，裂缝入口处形成的湍流强度越强，致使靠近裂缝入口处铺置的支撑剂越来越少，直至无支撑剂铺置，大大降低了裂缝的导流能力。其研究结果可为水力压裂施工中设计合理的施工排量提供帮助。

湍流；支撑剂；铺置规律；模拟实验

随着国内外页岩气资源的有效开发，以滑溜水为压裂液的大排量、低黏度、低砂比的施工方式被广泛应用于低渗-特低渗非常规油气藏[1]。与传统的交联压裂液相比，滑溜水黏度低，输送支撑剂困难，需要大排量将支撑剂输送到已压开的裂缝中，形成具有高导流能力的填砂裂缝[2]。目前关于支撑剂在裂缝内的沉降规律研究主要集中在室内物理实验模拟以及理论计算推导。国外关于支撑剂铺置规律实验研究较早，早在1967年Babcock就采用平行透明树脂板对支撑剂在裂缝中的分布进行了实验[3]，国内关于滑溜水压裂支撑剂的铺置规律研究较晚，近些年温庆志运用透明平行板垂直裂缝物理模型，对滑溜水压裂过程中支撑剂在裂缝中的铺置规律进行了分析[4-6]。

但到目前为止，对于大排量下滑溜水压裂支撑剂铺置规律的研究还不够深入，未能将大排量下湍流的影响考虑在内。鉴于此，本文在前人的基础上，通过大型可视化裂缝模拟装置结合Fluent模拟软件，运用室内物理实验和软件数值模拟两种方法来模拟滑溜水压裂支撑剂在裂缝中的铺置过程，对比研究不同施工排量下湍流对支撑剂铺置规律的影响。

1 实验方案设计

1.1 实验仪器

为了研究携砂液通过射孔孔眼时不同湍流强度下的支撑剂砂堤形态分布，利用大型可视化裂缝模拟装置，对支撑剂铺置进行模拟实验（见图1）。该模拟装置主要由混砂池、螺杆泵、平行裂缝板、废液池以及连接管线等组成。平行裂缝板是由2块长3 m，高0.5 m，缝宽可调的有机玻璃板组成，裂缝板左右中部各有一个大小一致的进出口（高5 mm，宽1 mm），模拟射孔孔眼直径18 mm。

图1 裂缝模拟装置原理图

1.2 实验方案

本次实验是为了模拟支撑剂在裂缝内的沉降规律，因此实验过程中所采用的流体流速应与实际压裂施工中的流速相同。根据相似原理，由压裂施工排量、裂缝高度及裂缝宽度可折算出实验过程中的缝内流速。

实验首先在混砂池内将一定砂比的支撑剂与压裂液搅拌均匀，然后通过螺杆泵将混合好的携砂液泵入裂缝平行板内，通过调节螺杆泵的频率，即可得到不同流速下的支撑剂铺置实验。当裂缝平行板内出现支撑剂时利用高清摄像机进行全程录像，记录支撑剂的沉降运移过程。实验过程中保持压裂液黏度、支撑剂粒径、支撑剂视密度、砂比等参数不变，通过对比不同流速下支撑剂砂堤的堆积形态，研究湍流对缝内支撑剂铺置规律的影响。具体参数（见表1）。

表1 实验参数

2 数值模型建立

计算流体力学分析首先是根据模拟对象建立几何模型并进行网格划分，将计算区域离散化，划分为多个子区域进行计算，将具体问题转化为Fluent求解器可以接受的形式。根据本次所用实验装置模型建立二维矩形裂缝模型，缝高和缝长与实验模拟装置一致，裂缝左右各有一个进出口。所建立的裂缝壁面均采用光滑静止固壁，与实验装置保持一致，最后采用MAP方法生成四边形网络，导入到Fluent软件中进行求解。

模型的入口边界采用速度入口，给定湍流强度和水力半径，出口为自由流动。设定裂缝出入口压力均为0.103 MPa，初始速度分别为2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s，压裂液黏度、密度以及支撑剂粒径、密度与实际物理实验条件相一致，设定收敛各项残差小于10-4。

3 结果分析

3.1 不同流速下的物理模拟实验

在其他实验条件相同的情况下进行不同进口速度下的支撑剂铺置物理模拟实验，从支撑剂进入裂缝开始计时，直到砂堤高度达到平衡高度。实验采用全程录像记录砂堤的堆积过程，记录最终的砂堤形态（见图2）。

裂缝进口速度为2.5 m/s时最终形成的砂堤形态（见图2a），从中可以看出在靠近裂缝入口位置处支撑剂沉降较多，砂堤平衡高度较大；随着裂缝进口流速的增大，靠近裂缝入口位置处的支撑剂沉降越来越少（见图2b），平衡高度也逐渐降低；当进口流速达到4.5 m/s时（见图2c），裂缝入口处无支撑剂沉降。当压裂施工结束后未填充支撑剂的裂缝会重新闭合，造成井底附近的缩颈现象，大大降低了裂缝整体改造效果。

图2 不同进口速度下的砂堤分布（由右向左流动）

3.2 不同流速下的数值模拟实验

在相同的实验条件下，根据所建立的数值模型，运用Fluent软件模拟支撑剂的铺置规律，可以得到裂缝进口速度分别为2.5 m/s，3.5 m/s，4.5 m/s条件下的速度矢量图（见图3），从图中可以更明显地看出湍流对支撑剂铺置形态的影响。携砂液由射孔孔眼进入裂缝后并没有直接向裂缝深处运移，而是在靠近裂缝入口处形成涡旋，将靠近裂缝入口位置处的支撑剂卷起来携带到裂缝深处。其结果与物理模拟实验结果较为一致。

由于携砂液在射孔孔眼中的流速要比裂缝中的流速大得多，因此，当高速流动的携砂液经由射孔孔眼流入裂缝时由于流速不等而形成涡旋，产生湍流。这种涡旋会将靠近裂缝入口处的部分支撑剂卷吸起来并不断移动，使得支撑剂进入裂缝后无法迅速在裂缝入口处沉降。

图3 裂缝内支撑剂的速度矢量图

当射流速度为2.5 m/s时，由湍流产生的涡旋较小，部分支撑剂沉降在裂缝入口处，形成砂堤（见图3a）。随着射流速度的增大，形成的湍流强度也越来越大，产生的涡旋也越来越明显（见图3b）。对比图3a，图3b可以明显看出，随着射流速度的增大，靠近裂缝入口处的支撑剂沉降越来越少。当射流速度达到4.5 m/s时，在靠近裂缝入口整个裂缝高度上形成一个大涡旋，将靠近裂缝入口处的支撑剂全部卷吸起来携带到裂缝深处，使得支撑剂无法在裂缝入口处沉降（见图3c）。压裂施工结束后未填充支撑剂的裂缝会重新闭合，形成类似“包饺子”状的填砂裂缝，大大降低了裂缝入口处的导流能力，即使缝内形成良好的填砂裂缝，压后产能也不会得到有效的提高。

4 结论

（1）通过大型裂缝模拟装置结合计算流体力学软件Fluent研究了不同排量下裂缝入口效应对支撑剂铺置规律的影响。实验结果表明，施工排量越大，湍流强度越强，对支撑剂铺置的影响也越大。

（2）施工排量过大或过小都不利于支撑剂的铺置，小排量支撑剂输送困难，难以将支撑剂输送到裂缝深处；大排量会增大湍流强度，形成类似“包饺子”状的填砂裂缝，降低了裂缝导流能力，影响增产效果。

（3）对比分析物理实验和数值模拟实验结果表明，两种实验模型都可以用来模拟支撑剂在裂缝内的铺置规律。

［1］温庆志，高金剑，刘华，等.滑溜水携砂性能动态实验［J］.石油钻采工艺，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］温庆志，等.滑水压裂裂缝内砂堤形成规律［J］.特种油气藏，2013，20（3）：137-139.

［5］温庆志，翟恒立，罗明良，等.页岩气藏压裂支撑剂沉降及运移规律实验研究［J］.油气地质与采收率，2012，19（6）：104-107.

［6］温庆志，等.水力压裂单缝中常用压裂液携砂性能评价［J］.油气地质与采收率，2015，22（4）：123-126.

［7］于勇.Fluent入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，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

陕西省重大科学技术难题攻关项目“陆相页岩气储层压裂改造工艺技术攻关”，项目编号：2012KTZB03-03-03-02。

惠峰，男（1990-），西安石油大学油气田开发工程在读研究生，邮箱：215957764@qq.com。