一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，基于页岩孔隙结构特征，设定页岩的仿真模拟尺寸和边界条件；设定纳米颗粒在钻井液中各受力及速度的初始条件；根据颗粒和钻井液特性，建立并设定颗粒接触和运动模型；应用离散元素法求解纳米颗粒系统以及与页岩表面和孔隙中的颗粒接触、碰撞、沉积和迁移的过程，仿真模拟出页岩孔隙封堵情况和封堵层孔隙结构等，揭示封堵规律和封堵微观过程与机制。
【专利说明】-种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟研究方法，属于石油钻完井井壁防 失稳、储层保护和堵漏防漏【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 水基钻井液钻探页岩层关键在于有效降低钻井液水相侵入岩层，此为事关页岩气 经济开发的瓶颈技术。目前钻井液阻水、降水侵采取的策略措施主要有W下方法：①化学抑 制法通过在钻井液中加入页岩抑制剂和防膨剂阻止页岩吸水、脱水和膨胀；②化学封堵通 过在钻井液中添加化学成膜剂，在井壁形成一层非渗透膜或选择性半透膜阻水进入页岩孔 隙；⑨物理封堵通过在钻井液中加入与孔喉直径适配的颗粒、弹性颗粒或形成泡沫等，利用 级配的颗粒或可伸缩膨胀的弹性颗粒或泡沫封堵页岩孔喉形成井壁物理封堵层阻水、降水 侵。
[0003] 颗粒封堵降水侵从上世纪中叶起，国内外学者已开展了大量实验和机理研究，形 成了 1/3外泥饼规则、屏蔽暂堵、理想充填、贴0规则等多种颗粒级配理论。
[0004] 有关纳米颗粒封堵页岩孔喉，目前现有的资料文献均是采用实验的策略方法来进 行封堵机理、封堵规律和体系配方的研究。美国得克萨斯大学奥斯汀分校页岩实验室根据 页岩孔喉直径特征，引入Si02纳米颗粒封堵页岩孔喉降水侵，形成了纳米颗粒封堵页岩 孔喉高效防失稳实验方法，并申请了封堵实验方法的美国专利（N〇.2009/0314549,2011/ EP2315911)。目前，针对该类研究，未见有相关的数值模拟或仿真研究方法报道。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟研究方法，模拟揭示纳米颗粒 封堵页岩孔喉的微观过程和机制，得出纳米颗粒封堵页岩孔喉的规律和封堵层密实性（孔 隙性）。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，包括如下步骤：
[000引步骤（1)对页岩进行表征，实验测试并多点统计获得页岩岩体的各类特性参数， 进行孔隙结构主体特征形态的简化，给出主体结构特征；
[0009] 步骤（2)设定纳米颗粒为具有粘性、弹性、塑性的软球，W接触力-位移模型，描述 颗粒与颗粒间、颗粒与井壁间的接触，采用法向、切向振动和切向滑动、滚动运动方程描述 接触模型；基于牛顿第二定律建立的运动方程，并对运动方程进行方程求解；
[0010] 步骤（3)根据页岩粒径组成、胶结强度、=应力状态、弹性模量、泊松比，设定页岩 组成颗粒球及颗粒应力状态，生成一个长方体或不同粗趟面圆环形柱体或不同粗趟面楠圆 环形柱体边界，再按粒径组成随机生成页岩岩体颗粒群，在应力状态下接触压实充满整个 长方体或不同粗趟面圆环形柱体或不同粗趟面楠圆环形柱体；依据实验得出的页岩主体结 构特征，在页岩模拟体内删除孔隙结构形状内的颗粒，形成页岩体孔隙结构；
[0011] 步骤（4)利用步骤似中接触模型、运动方程和步骤做中井壁岩体边界，对封堵 纳米颗粒群赋予颗粒特性及速度初始条件，施加各类作用力与流体的作用，设定终止策略， 按设定时步计算运动方程和判断颗粒接触，采用不同迭代算法进行封堵页岩孔喉模拟。
[0012] 步骤（1)中借助SEM成像或Micro-CT、高压压隶、S轴应力、粒度分析物理实验手 段进行页岩表征。
[0013] 步骤（1)所述的特性参数包括孔隙特征半径、连通性、迂曲度、孔隙度、强度、粒径 组成。
[0014] 步骤似中自定义粘、弹、塑性接触力-位移模型见式（1)、（2)。
[00巧]Fc= Fv(Vu)+Fe(S，Vu)+Fp(S，V。') (1)
[0016] 式中，F。为颗粒间接触力；Fv(Vy)为液膜作用力；Fe( 5，vu)为颗粒弹性变形阶段 作用力；Fp( S，Vy)为颗粒塑性变形阶段作用力；5为颗粒间接触变形量，Vu为颗粒碰撞相 对速度。
[0017]
【权利要求】
1. 一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，包括如下步骤，其特征在于： 步骤（1)对页岩进行表征，实验测试并多点统计获得页岩岩体的各类特性参数，进行 孔隙结构主体特征形态的简化，给出主体结构特征； 步骤（2)设定纳米颗粒为具有粘性、弹性、塑性的软球，以接触力-位移模型，描述颗粒 与颗粒间、颗粒与井壁间的接触，采用法向、切向振动和切向滑动、滚动运动方程描述接触 模型；基于牛顿第二定律建立的运动方程，并对运动方程进行方程求解； 步骤（3)根据页岩粒径组成、胶结强度、三应力状态、弹性模量、泊松比，设定页岩组成 颗粒球及颗粒应力状态，生成一个长方体或不同粗糙面圆环形柱体或不同粗糙面椭圆环形 柱体边界，再按粒径组成随机生成页岩岩体颗粒群，在应力状态下接触压实充满整个长方 体或不同粗糙面圆环形柱体或不同粗糙面椭圆环形柱体；依据实验得出的页岩主体结构特 征，在页岩模拟体内删除孔隙结构形状内的颗粒，形成页岩体孔隙结构； 步骤（4)利用步骤（2)中接触模型、运动方程和步骤（3)中井壁岩体边界，对封堵纳米 颗粒群赋予颗粒特性及速度初始条件，施加各类作用力与流体的作用，设定终止策略，按设 定时步计算运动方程和判断颗粒接触，采用不同迭代算法进行封堵页岩孔喉模拟。
2. 如权利要求1所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，所述的 步骤（1)中借助SEM成像或Micro-CT、高压压汞、三轴应力和粒度分析物理实验手段进行页 岩表征。
3. 如权利要求1所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤（1) 所述的特性参数包括孔隙特征半径、连通性、迂曲度、孔隙度、强度、粒径。
4. 如权利要求1所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤（2) 中自定义粘、弹、塑性接触力-位移模型，见式（1)、（2); Fc=Fv(Vij)+Fe(S，ViJ)+Fp(S，ViJ) (I) 式中，F。为颗粒间接触力；Fv(Vij)为液膜作用力；FJS，Vij)为颗粒弹性变形阶段作用 力；FP(S，Vip为颗粒塑性变形阶段作用力；S为颗粒间接触变形量，为颗粒碰撞相对速 度； FM) =CfVl..............................rc^rij<rc+bij Fe ( 5 .Vij) =CeVijr +ke 8.................rc- 8r^.<rc (2) Fp( 5 >Vij) =cPvij+kP( 5 ~ 5y).......rIj^rc-5y 式中，cf为颗粒表面附着液膜的润滑阻尼系数；为两颗粒的中心距离；r。等于两颗 粒的半径之和；为两颗粒表面吸附的钻井液液膜宽度之和；％为碰撞变形弹性阶段阻尼 系数；cp为碰撞变形塑性阶段阻尼系数；<、Vi/、v"u分别为颗粒碰撞附着液膜开始接 触时刻、颗粒本体开始接触时刻、颗粒开始发生塑性时刻对应的颗粒间相对运动速度；!^为 弹性接触刚度；kp为塑性接触系数；S为颗粒间接触变形量；Sy为颗粒达到屈服应力时变 形量。
5. 如权利要求1所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤（2) 建立的运动方程见公式（3)、（4);
式中，m为颗粒质量；△为颗粒间的相对位移；G为重力；Ff为浮力；FAp为轴向压力梯 度产生拉力；Fd为拖曳力；Fk为钻柱旋转侧向举升力；F颗粒上下压差不同产生的举升 力；F为钻井压差力；Fv为范德华力；Fe为静电力；Fvu为液桥力；Flub为润滑力；FB为热运动 引起的脉冲力；F。为碰撞过程中，作用在颗粒上的接触力；Frt为切向接触力分力；rp为颗粒 半径；I为颗粒转动惯量;w为颗粒转动速度。
6. 如权利要求1所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤（4) 中具体模拟方式如下： (4-1)在步骤（3)中生成的长方体页岩或不同粗糙面圆环形柱体或不同粗糙面椭圆环 形柱体面边界上，按纳米颗粒配比和粒径分布生成封堵颗粒群，对所有纳米球体颗粒施加 各种作用力，以及在各种力的作用下，颗粒与颗粒间、颗粒与页岩壁面接触碰撞，产生的相 互作用力； (4-2)选用某种颗粒接触判断算法判断颗粒间、颗粒与壁面间接触，确定颗粒间及颗粒 与井壁间关系和计算颗粒的各种物理量； (4-3)进行运动方程判断，计算颗粒速度和位置更新颗粒各物理量； (4-4)采用某种迭代算法进行循环迭代计算下一个时步颗粒封堵形态，颗粒在各种作 用力的共同作用下充填孔喉，并逐渐堆积直至稳定为止。
7. 如权利要求6所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤 (4-1)所述的作用力包括钻井压差力、重力、浮力、举升力、拖曳力、轴向压力梯度产生的拉 力、颗粒间范德华力、液桥力、静电力、润滑力、接触力及热运动引起的脉冲力。
8. 如权利要求6所述的纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，其特征在于，步骤 (4-2)所述的各种物理量包括法/切向相对位移、旋转角、颗粒所受合力的法/切向分量。
【文档编号】G06F17/50GK104504192SQ201410794900
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】张锐, 王瑞和, 冯玉娇, 宋琳, 张田田, 石先亚 申请人:中国石油大学(华东)