[发明专利]基于纳米颗粒碰撞接触模型的封堵页岩孔喉仿真模拟方法

说明书

本发明公开了基于纳米颗粒碰撞接触模型的封堵页岩孔喉仿真模拟方法，它解决了现有技术中颗粒封堵效果不理想的问题，具有准确的描述钻井液中纳米颗粒间的碰撞行为、更真实模拟颗粒与流体间的相互作用的效果；其技术方案为：对页岩孔喉结构进行表征，多点统计给出主体结构特征，构建页岩孔喉结构模拟体；根据封堵颗粒和钻井流体相关参数形成封堵颗粒群，设定边界条件及初始条件；进行颗粒接触判断，确定颗粒间接触关系；建立随钻井液运移封堵颗粒的运动方程；采用动态松弛法求解所述运动方程；设定颗粒堵卡孔喉准则，判断颗粒是否形成稳定封堵；根据颗粒封堵效果评价体系，对纳米颗粒封堵页岩孔喉效果进行评价分析。

技术领域

本发明属于石油钻完井井壁防失稳和储层保护技术领域，尤其涉及一种基于纳米颗粒碰撞接触模型的封堵页岩孔喉仿真模拟方法。

背景技术

页岩层钻进水侵造成井壁失稳一直是困扰页岩油、气开采的世界级难题，纳米颗粒封堵页岩孔喉降水侵是解决其有效措施之一。目前对于颗粒封堵地层孔喉问题的研究，多采用实验方法，相应的实验设备多达30余种，根据其实验目的大致可分为三类：

(1)评价堵漏材料堵漏效果(对裂缝层)；

(2)评价暂堵颗粒封堵性能(对高孔渗地层)；

(3)评价颗粒封堵降水侵效果(对页岩孔、缝，低孔渗地层)；

各实验评价涉及的渗滤介质各有不同，主要有天然岩心、滤纸、滤膜、砂床、钢珠床、岩心滤片、人造泥饼、陶瓷滤筒、玻璃纤维滤网、玻璃缝板、钢质缝板、含缝水泥块等；方法原理均是以流动实验为主，通过对渗滤流量(流体传递)或上下游压力变化(压力传递)来评价封堵效果。目前国内外学者已开展了大量的颗粒封堵实验工作，也形成了相应完善的实验方法，但封堵效果均只以宏观尺度上的实验渗透率大小变化来反映好坏，而对其微观上封堵机制的揭示较少；而且实验耗费成本高、过程复杂，尤其是对天然岩心(具有唯一性)实验介质，实验结果可重复性差。另外，低渗岩心的封堵实验对设备密封性能要求高，密封检测和维护时间长，目前大部分实验设备无法保证如此高要求。因此，探索一种实验评价之外且高效的封堵仿真模拟方法具有重要的意义。

关于纳微米颗粒封堵页岩孔喉方面的数值模拟研究，目前仍鲜有报道。中国专利号CN104504192A，公开了一种纳米颗粒封堵页岩孔喉的仿真模拟方法，但是该方法所采用的颗粒接触模型，未考虑范德华力和钻井液中粘附在颗粒表面胶结物质产生的粘结力对纳米颗粒间碰撞行为的影响；对于流场作用力的施加过于简化(仅在模拟初始时刻，流体作用力以固定外力的方式施加给封堵颗粒)，并未考虑整个封堵过程中流体与颗粒间的耦合作用；颗粒的封堵效果仅以外堆积层的密实度作为评价指标，并不能完全反映颗粒外堆积层的封堵能力，颗粒封堵效果评价体系有待进一步改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于纳米颗粒碰撞接触模型的封堵页岩孔喉仿真模拟方法，其具有能够准确的描述钻井液中纳米颗粒间的碰撞行为、能够更真实模拟颗粒与流体间的相互作用的效果。

本发明采用下述技术方案：

基于纳米颗粒碰撞接触模型的封堵页岩孔喉仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤(1)对页岩孔喉结构进行表征，多点统计给出其主体结构特征，构建页岩孔喉结构模拟体；根据纳米颗粒和钻井流体相关参数形成封堵颗粒群，设定所述模拟体的边界条件及初始条件；

步骤(2)采用网格单元法进行颗粒接触判断，确定纳米颗粒间接触关系；基于纳米颗粒碰撞接触模型和流固耦合模型，并根据牛顿第二定律，建立随钻井液运移纳米颗粒的运动方程；

步骤(3)采用动态松弛法求解所述运动方程，计算每一时步纳米颗粒参数；设定颗粒堵卡孔喉准则，判断纳米颗粒是否形成稳定封堵；