一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法

本发明涉及钻井液漏失处理，尤其是涉及一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法。

背景技术：

1、随着油气资源的勘探开发逐步向深部、裂缝性、深海等复杂地层迈进，深部油气资源因其埋藏较深，钻井过程中钻遇天然裂缝或产生诱导裂缝导致钻井液漏失等井下复杂事故频繁发生。钻井液漏失在增加非生产时间和开采成本的同时，还可能会引起储层损害进而降低开采效果。井周裂缝是流体流动的通道，在裂缝内形成稳定的封堵带是解决钻井液漏失问题的核心。开展颗粒在裂缝中的封堵机理研究，不仅从封堵材料的微观颗粒尺度上揭示宏观裂缝封堵区的形成机制，还为解决井漏问题和预测封堵模型提供基础理论依据。

2、针对如何封堵钻井过程中遇到的裂缝问题，前人已经开展了大量理论和实验研究，提出了诸多钻井液漏失预测模型、井眼强化理论和封堵材料选取准则。然而，常规堵漏材料实验评价装置预设的流动通道和钻遇的实际裂缝存在一定差别，难以对封堵材料在裂缝中的运移与封堵过程进行实时观测及模拟研究。因此，目前缺乏对于堵漏颗粒在裂缝中的运移、堆积过程的相关模拟方法的研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，用以解决现有技术中缺乏对于堵漏颗粒在裂缝中的运移、堆积过程的相关模拟方法的研究的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，包括如下步骤：

3、s1、获取待模拟的裂缝的平均宽度，根据裂缝的平均宽度，设置用于封堵的颗粒的粒径；

4、s2、获取待模拟的裂缝的尺寸，建立裂缝的实物模型，在实物模型中进行颗粒封堵实验，得到颗粒在裂缝中的封堵位置；

5、s3、对位于封堵位置的裂缝段进行三维建模，并对三维模型进行简化，并设定裂缝封堵条件，得到裂缝封堵模型；

6、s4、设置颗粒的摩擦系数及弹性模量，根据裂缝封堵模型、颗粒的粒径、颗粒的摩擦系数及颗粒的弹性模量，采用数值模拟方法计算得到裂缝封堵过程中的颗粒的运移速度随时间的关系；

7、s5、更改颗粒的粒径，重复步骤s1-s4，得出颗粒粒径对裂缝封堵过程的影响；

8、s6、更改颗粒的摩擦系数，重复步骤s1-s4，得出颗粒的摩擦系数对裂缝封堵过程的影响；

9、s7、更改颗粒的弹性模量，重复步骤s1-s4，得出颗粒的弹性模量对裂缝封堵过程的影响。

10、在一些实施例中，所述步骤s1中，颗粒粒径范围小于裂缝的缝端宽度且大于裂缝的缝尾宽度的1/3。

11、在一些实施例中，所述步骤s3中，对位于封堵位置的裂缝段进行三维建模，并对三维模型进行简化，并设定裂缝封堵条件，得到裂缝封堵模型，具体包括：

12、s31、对位于封堵位置的裂缝段进行三维建模，并对三维模型进行简化；

13、s32、利用有限元仿真软件计算堵漏液的速度及压力数据信息，设置湍流强度和水力直径值；

14、s33、利用离散元仿真软件进行颗粒的设置；

15、s34、将有限元仿真软件和离散元仿真软件进行链接，设置有限元计算模型的参数进行数值模拟计算，得到裂缝封堵模型。

16、在一些实施例中，所述步骤s4中，设置颗粒的摩擦系数及弹性模量，根据裂缝封堵模型、颗粒的粒径、颗粒的摩擦系数及颗粒的弹性模量，采用数值模拟方法计算得到裂缝封堵过程中的颗粒的运移速度随时间的关系，具体包括：

17、s41、根据颗粒粒径和裂缝通道大小设置网格尺寸对模型进行网格划分；

18、s42、通过液体控制方程求解每个网格上某一时刻堵漏液的速度、密度和压力，同时通过固体颗粒控制方程求解颗粒在该时刻的运移速度，将每个网格上堵漏液的速度、密度和压力与颗粒的运移速度进行耦合，最终计算得到裂缝封堵过程中的颗粒的运移速度随时间的关系。

19、在一些实施例中，所述步骤s42中，通过液体控制方程求解每个网格上某一时刻堵漏液的速度、密度和压力的具体方法是：获取网格中堵漏液的体积分数、堵漏液的黏度及传递给流体的动量源项，根据网格中堵漏液的体积分数、堵漏液的黏度及传递给流体的动量源项，得到每个网格上某一时刻堵漏液的速度、密度和压力。

20、在一些实施例中，液体控制方程的具体公式为：

21、

22、

23、式中：ρl为流体密度，kg/m3；为流体计算网格中流体的体积分数，无量纲；t为时间，s；ul为流体流速，m/s；pl为流体压力，m/s；η为流体黏度，mpa·s；sp为动量源项，n/m3。

24、在一些实施例中，所述步骤s42中，通过固体颗粒控制方程求解颗粒在该时刻的运移速度的具体方法是：获取颗粒的质量、颗粒受到的重力、周围流体对颗粒的拖拽力以及颗粒间或颗粒与壁面间相互碰撞作用力，根据颗粒的质量、颗粒受到的重力、周围流体对颗粒的拖拽力以及颗粒间或颗粒与壁面间相互碰撞作用力，得到颗粒的运移速度。

25、在一些实施例中，固体颗粒控制方程的具体公式为：

26、

27、式中：mk为颗粒k的质量，kg；uk为颗粒速度，m/s；gk为颗粒受到的重力，n；fl为周围流体拖拽力，n；fk为颗粒间或颗粒与壁面间相互碰撞作用力，n。

28、在一些实施例中，所述步骤s42中，计算堵漏液数据时控制步长为0.001s，迭代次数为20，计算0.3s。

29、在一些实施例中，所述步骤s42中，计算颗粒数据时控制步长为1e-6s，计算0.3s。

30、与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过裂缝通道大小的现场真实数据，设定封堵颗粒的粒径；然后，通过实物裂缝模型进行封堵模拟，确定颗粒在裂缝内封堵的位置，根据颗粒封堵的位置，构建封堵位置处的裂缝段的几何模型；对几何模型简化后，采用六面体结构化方式划分网格，采用数值模拟方法研究每个网格处的堵漏液与颗粒的相互影响，从而重现颗粒封堵过程，形成数值模拟计算模型，展开数值模拟计算，并综合分析数值模拟计算结果；接着，通过控制变量法研究不同影响因素下颗粒在裂缝中运移、堆积及封堵规律数据，并针对数据进行深入分析；最后，根据数据分析结果，描述裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵过程，本发明为分析钻井过程中出现漏失情况时如何封堵裂缝的问题提供了一种准确合理的研究方法。

技术特征：

1.一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s1中，颗粒粒径范围小于裂缝的缝端宽度且大于裂缝的缝尾宽度的1/3。

3.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s3中，对位于封堵位置的裂缝段进行三维建模，并对三维模型进行简化，并设定裂缝封堵条件，得到裂缝封堵模型，具体包括：

4.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s4中，设置颗粒的摩擦系数及弹性模量，根据裂缝封堵模型、颗粒的粒径、颗粒的摩擦系数及颗粒的弹性模量，采用数值模拟方法计算得到裂缝封堵过程中的颗粒的运移速度随时间的关系，具体包括：

5.根据权利要求4所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s42中，通过液体控制方程求解每个网格上某一时刻堵漏液的速度、密度和压力的具体方法是：获取网格中堵漏液的体积分数、堵漏液的黏度及传递给流体的动量源项，根据网格中堵漏液的体积分数、堵漏液的黏度及传递给流体的动量源项，得到每个网格上某一时刻堵漏液的速度、密度和压力。

6.根据权利要求5所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，液体控制方程的具体公式为：

7.根据权利要求4所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s42中，通过固体颗粒控制方程求解颗粒在该时刻的运移速度的具体方法是：获取颗粒的质量、颗粒受到的重力、周围流体对颗粒的拖拽力以及颗粒间或颗粒与壁面间相互碰撞作用力，根据颗粒的质量、颗粒受到的重力、周围流体对颗粒的拖拽力以及颗粒间或颗粒与壁面间相互碰撞作用力，得到颗粒的运移速度。

8.根据权利要求7所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，固体颗粒控制方程的具体公式为：

9.根据权利要求4所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s42中，计算堵漏液数据时控制步长为0.001s，迭代次数为20，计算0.3s。

10.根据权利要求4所述的裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，其特征在于，所述步骤s42中，计算颗粒数据时控制步长为1e-6s，计算0.3s。

技术总结
本发明公开了一种裂缝性地层钻井液漏失堵漏颗粒封堵模拟方法，包括如下步骤：设置用于封堵的颗粒的粒径；建立裂缝的实物模型，在实物模型中进行颗粒封堵实验，得到颗粒在裂缝中的封堵位置；对位于封堵位置的裂缝段进行三维建模；采用数值模拟方法计算得到裂缝封堵过程中的颗粒的运移速度随时间的关系。本发明提出的技术方案的有益效果是：构建封堵位置处的裂缝段的几何模型；采用六面体结构化方式划分网格，采用数值模拟方法研究每个网格处的堵漏液与颗粒的相互影响，从而重现颗粒封堵过程，形成数值模拟计算模型，本发明为分析钻井过程中出现漏失情况时如何封堵裂缝的问题提供了一种准确合理的研究方法。

技术研发人员：邓桥,夏雪芹,王佳琪,徐鹏举,张豪卓
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14