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技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及数值模拟
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术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。
[0009]为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]根据本专利技术实施例的第一方面，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：
[0011]步骤S1、构建裂隙几何模型，确定所述裂隙几何模型的粗糙度；
[0012]步骤S2、确定所需数学模型，包括：连续相数学模型、离散相数学模型和交叉耦合方程；将计算区域内的流体介质视为连续相，通过连续相数学模型进行求解；将暂堵剂视为离散相，通过离散相数学模型进行求解；连续相与连续相之间的相互作用，通过SIMPLE算法进行求解；连续相与离散相之间相互作用，通过交叉耦合方程进行求解；
[0013]步骤S3、对所述数学模型进行离散，给出相应边界条件和初始化数值，通过预设的双向耦合计算流程，模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程；
[0014]步骤S4、输出模拟结果。
[0015]优选地，所述步骤S1中确定所述裂隙几何模型的粗糙度，通过以下项中的任一种方法确定，包括：
[0016]节理粗糙度直接对比方法、节理粗糙度经验公式计算方法、分形维数方法和人工设计粗糙形状。
[0017]优选地，所述步骤S2中，连续相数学模型通过以下方法确定，包括：
[0018]流体运动采用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解，其中，质量守恒方程表示为：
[0019][0020]其中，S
m
表示源项，为离散相添加到连续相中的质量，或其他任何需要考虑到连续相中的相；ρ表示流体密度；t表示时间；表示拉普拉斯算子；表示流体速度；表示偏导数；
[0021]动量守恒方程表示为：
[0022][0023]其中，p表示缝内流体压力；表示流体重力加速度；表示外部力，例如，与离散相相互作用产生的力；表示切应力张量，其表达式如下：
[0024][0025]其中，μ表示流体粘度；I表示单位张量；上标T表示流体速度向量的转置；
[0026]能量守恒方程表示为：
[0027][0028]k
eff
＝k+k
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0029][0030][0031][0032]其中，T为流体温度；p为出口压力；E为能量常数；k
eff
为有效导热率；k为流体材料导热率；k
t
为流体湍流导热率；为流体扩散通量；为有效切应力张量；S
h
为体积热源；h为不可压缩流体的焓；Y
j
为流体质量分数；h
j
为流体质量分数为j时的焓；T
ref
为298.15k；c
f,j
为流体定压比热容；∫表示积分。
[0033]优选地，所述步骤S2中，离散相数学模型通过以下方法确定，包括：
[0034]通过牛顿第二定律对离散相暂堵剂进行力平衡积分，计算暂堵剂的运动轨迹，其表达式为：
[0035][0036][0037][0038]其中，m
p
为暂堵剂质量；为暂堵剂速度；ρ
p
为暂堵剂密度；d
p
为暂堵剂直径；为流体速度；μ为流体粘度；ρ为流体密度；τ
r
为暂堵剂弛豫时间；Re为雷诺数；C
d
为常数，取0.5；d表示导数；为附加力，可根据实际情况选择；
[0039]暂堵剂旋转通过求解暂堵剂角动量的附加常微分方程：
[0040][0041][0042][0043]其中，为力矩；为流体与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，其特征在于，包括：步骤S1、构建裂隙几何模型，确定所述裂隙几何模型的粗糙度；步骤S2、确定所需数学模型，包括：连续相数学模型、离散相数学模型和交叉耦合方程；将计算区域内的流体介质视为连续相，通过连续相数学模型进行求解；将暂堵剂视为离散相，通过离散相数学模型进行求解；连续相与连续相之间的相互作用，通过SIMPLE算法进行求解；连续相与离散相之间相互作用，通过交叉耦合方程进行求解；步骤S3、对所述数学模型进行离散，给出相应边界条件和初始化数值，通过预设的双向耦合计算流程，模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程；步骤S4、输出模拟结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中确定所述裂隙几何模型的粗糙度，通过以下项中的任一种方法确定，包括：节理粗糙度直接对比方法、节理粗糙度经验公式计算方法、分形维数方法和人工设计粗糙形状；其中，所述人工设计粗糙形状，其粗糙度通过如下公式进行计算：其中，C表示干热岩裂隙表面粗糙度；h
c
表示粗糙峰值高度；h表示平滑裂隙宽度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，连续相数学模型通过以下方法确定，包括：流体运动采用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解，其中，质量守恒方程表示为：其中，S
m
表示源项，为离散相添加到连续相中的质量，或其他任何需要考虑到连续相中的相；ρ表示流体密度；t表示时间；表示拉普拉斯算子；表示流体速度；表示偏导数；动量守恒方程表示为：其中，p表示缝内流体压力；表示流体重力加速度；表示外部力，例如，与离散相相互作用产生的力；表示切应力张量，其表达式如下：其中，μ表示流体粘度；I表示单位张量；上标T表示流体速度向量的转置；能量守恒方程表示为：
k
eff
＝k+k
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)(5)其中，T为流体温度；p为出口压力；E为能量常数；k
eff
为有效导热率；k为流体材料导热率；k
t
为流体湍流导热率；为流体扩散通量；为有效切应力张量；S
h
为体积热源；h为不可压缩流体的焓；Y
j
为流体质量分数；h
j
为流体质量分数为j时的焓；T
ref
为298.15k；c
f,j
为流体定压比热容；∫表示积分。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，离散相数学模型通过以下方法确定，包括：通过牛顿第二定律对离散相暂堵剂进行力平衡积分，计算暂堵剂的运动轨迹，其表达式为：式为：式为：其中，m
p
为暂堵剂质量；为暂堵剂速度；ρ
p
为暂堵剂密度；d
p
为暂堵剂直径；为流体速度；μ为流体粘度；ρ为流体密度；τ
r
为暂堵剂弛豫时间；Re为雷诺数；C
d
为常数，取0.5；d表示导数；为附加力，可根据实际情况选择；暂堵剂旋转通过求解暂堵剂角动量的附加常微分方程：暂堵剂旋转通过求解暂堵剂角动量的附加常微分方程：
其中，为力矩；为流体与暂堵剂之间的相对角速度；为流体与暂堵剂之间相对角速度的绝对值；I
p
为惯性矩；为暂堵剂角速度；C
ω
为旋转阻力系数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，确定交叉耦合方程，包括：考虑连续相对离散相的影响，构建质量、动量和能量交换方程；考虑离散相对连续相的影响，构建修正后的连续性方程、动量方程和能量方程；考虑连续相内部的相互影响，通过SIMPLE算法获得速度、压力和温度耦合的连续相场。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述考虑连续相对离散相的影响，构建质量、动量和能量交换方程，包括：流体和暂堵剂之间的质量交换公式：其中，M表示暂堵剂质量变化值；Δm
p
表示控制体内暂堵剂的质量变化；表示跟踪暂堵剂的初始质量流率；m
p,0
表示控制体内暂堵剂初始质量；流体和暂堵剂之间的动量交换公式：其中，F表示暂堵剂动量变化值；表示暂堵剂质量流率；Δt表示时间步长；F
other
表示其它相间作用力；流体和暂堵剂之间的能量交换公式：其中，Q表示暂堵剂热量变化值；表示控制体内的暂堵剂平均质量；c
p
表示暂堵剂比热...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪道兵，郑臣，秦浩，董永存，韩东旭，宇波，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：