多簇水力压裂中穿孔侵蚀及流体重新分布的数值研究

《Powder Technology》：Numerical investigation of perforation erosion and flow redistribution in multi-cluster hydraulic fracturing

　　

作者：门宇婷、王志国、李帅、何梦豪、严正国、刘丹、杨光、孙莉

西安石油大学石油工程学院，中国西安710065

摘要

高流量、高浓度的水力压裂会导致穿孔受到严重侵蚀，从而降低有限通道的有效性并造成裂缝启动不均匀。在这项研究中，开发了一个双向耦合的CFD-DEM仿真框架，以动态捕捉单个簇中12个穿孔套管模型内侵蚀引起的穿孔形态变化和流体重新分布的协同演化过程。系统地研究了穿孔方向和轴向位置对穿孔扩大的影响、支撑剂的流动分布以及流体流动分布。结果表明，位于套管低侧的穿孔（相位角度为150°）和靠近套管脚部的穿孔经历了最大的扩大。穿孔方向对支撑剂排放不均匀性和流体流动分布不均匀性的影响大于轴向位置。在压裂的早期阶段，穿孔流速可达到341 m/s，但随着侵蚀的进展，流速迅速下降，在970秒内大约下降了50%。在当前模型条件下，注入速率范围为8–11 m3/min有利于改善流体分布的均匀性。这些发现为侵蚀引起的流动不平衡提供了机制上的见解，并为高流量、高支撑剂水力压裂操作中的穿孔设计和压裂参数优化提供了有用的指导。

引言

水平井的多段压裂是高效开发非常规油气储层的关键技术[1]、[2]、[3]，其刺激效果受多种物理过程的耦合影响，包括储层尺度应力演化、动态裂缝扩展以及近井筒流体重新分布[4]。然而，来自分布式声学传感（DAS）和分布式温度传感（DTS）的现场观测，连同物理模型实验，一致表明不同簇之间的流体流动差异可达数倍。大约20–40%的穿孔簇对刺激效果的贡献可以忽略不计[5]、[6]、[7]、[8]，从而导致裂缝启动不均匀和刺激效率降低。这些观察结果突显了迫切需要研究穿孔阶段内穿孔侵蚀和流体分布的动态演化。

高流速的压裂液中含有高浓度的支撑剂，会严重侵蚀套管壁和穿孔，导致穿孔直径扩大和流体分布均匀性降低。Crump等人[9]结合实验室实验和现场数据，描述了水力压裂过程中的穿孔侵蚀演变，并提出了调整泵送计划的建议。Zeng等人[10]实验分析了压裂参数对侵蚀速率的影响，并开发了一个穿孔侵蚀预测模型。Wu等人[11]证明穿孔侵蚀分为两个阶段进行，大部分穿孔摩擦损失发生在孔肩侵蚀阶段。Lin等人[12]通过直接冲击侵蚀实验发现，颗粒尖锐度效应明显大于颗粒尺寸效应。Yi和Tan等人[13]、[14]利用数值模拟表明，穿孔侵蚀会降低穿孔摩擦并加剧裂缝入口处的流动不平衡，最终导致多条裂缝的非均匀生长。Sakaida等人[15]、[16]利用DTS、DAS和穿孔成像技术证明了流体分布与穿孔侵蚀面积之间存在强相关性。Hamanaka等人[17]进一步使用DAS监测水力压裂过程中的流体流动，并评估了穿孔侵蚀的程度及其对有限通道性能的影响。Hu和Li等人[18]、[19]通过CFD模拟发现，单个簇内穿孔之间的支撑剂分布本质上是不均匀的，尤其是零相位穿孔的差异更为明显。Zhang等人[20]开发了一个用于水力喷射多簇压裂的环形流动模型，并表明裂缝扩展过程中簇之间的压力差异是流体分布不均匀的主要驱动因素，穿孔流速随着裂缝扩展压力的降低而线性增加。Crespo等人[21]对三个穿孔簇之间的支撑剂传输进行了大规模物理实验，发现当高密度支撑剂与高粘度流体在相对较低的注入速率下泵送时，会有明显的脚部偏置现象。Ngameni、Liu和Dontsov等人[22]、[23]、[24]报告称，降低支撑剂密度和颗粒尺寸可以有效减轻脚部偏置并提高簇间的均匀性。Ahmad等人[25]通过实验证明，高负载摩擦减小剂（HLFR）能比其他低粘度流体实现更均匀的穿孔支撑剂分布。Zhao和Zheng等人[26]、[27]表明，高粘度压裂液与小尺寸、低密度支撑剂的结合促进了穿孔内更均匀的支撑剂传输。Chen和Cheng等人[28]、[29]为多孔介质开发了流体-固体耦合模型，发现减小簇间距和增加簇数量可以显著降低单个穿孔簇的流体注入能力。最近，Qu等人[30]利用CFD-DEM模拟了带孔套管段内的浆液流动，并系统分析了穿孔布局、直径比、流体特性和颗粒特性对流动行为的影响。相关研究显示，穿孔位置和穿孔参数在控制裂缝扩展和刺激效果方面起着重要作用[31]、[32]。Long等人[33]、[34]提出了一个半经验的穿孔侵蚀模型，表明高体积含砂流体在穿孔内的流速可达150–200 m/s，使穿孔直径扩大到初始大小的1.5–3倍，并将穿孔摩擦降低60–80%。这种减少减弱了簇间流动的限制，形成了侵蚀、流体重新分布和进一步侵蚀的循环过程。然而，现有研究尚未充分考虑穿孔侵蚀和流体重新分布是一个双向耦合的、动态演化的过程这一事实。

在这项工作中，开发了一个双向耦合的计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）框架，用于模拟单个簇内12个穿孔套管段的穿孔侵蚀动态演化。与以往仅考虑侵蚀、支撑剂传输和流体重新分布的研究不同，该模型明确地更新了侵蚀引起的穿孔几何形状，并将演化后的几何形状反馈到仿真过程中的流体-支撑剂流场中。在此基础上，系统研究了穿孔方向和轴向位置对穿孔侵蚀、支撑剂分布和流体分布的影响。这些结果为现场应用的穿孔设计优化和压裂参数选择提供了机制上的见解。

章节片段

几何模型

构建了一个5–1/2 in × 7.72 P110套管段，总长度为800 mm，包含十二个10 mm的圆形穿孔，如图1所示。为了确保流体流动的充分发展，分别在套管脚部和头部保留了200 mm和50 mm的完整套管段。穿孔在轴向上相隔50 mm，相位角为120°，从脚部到头部分为四组，每组三个穿孔。在整个域内使用了非结构化的四面?网格，以满足Rocky对三角形网格的要求

基本假设和边界条件

穿孔出口处颗粒与流体之间的相互作用非常复杂。双向耦合的CFD-DEM方法能够更真实地描述颗粒传输和穿孔侵蚀过程。假设流体介质为不可压缩的滑水，忽略了热效应。这一假设适用于这里考虑的低粘度滑水系统。尽管局部穿孔流速达到341 m/s，但相应的马赫数

结果与讨论

在这项研究中，压裂注入速率为14 m3/min，支撑剂浓度为150 kg/m3，颗粒尺寸为100 mesh，压裂持续时间为5400 s。

结论

在这项研究中，采用CFD-DEM双向耦合方法构建了一个具有12个穿孔的单一簇模型，用于常见的5–1/2 in × 7.72 P110套管。系统研究了穿孔方向和轴向位置对穿孔扩大、支撑剂流动分布和流体分布的影响。量化揭示了穿孔方向、侵蚀行为和流体重新分布之间的耦合关系。

CRediT作者贡献声明

门宇婷：软件、方法论、概念化设计。王志国：监督、概念化设计。李帅：软件、方法论。何梦豪：可视化、数据整理。严正国：初稿撰写。刘丹：初稿撰写。杨光：审稿与编辑。孙莉：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

国家自然科学基金（项目编号52074220）、陕西创新能力支持计划（项目编号2023KXJ-172）以及陕西省教育厅重点科研计划（项目编号25JR146）提供的财务支持。