[發明專利]一種實時定量化表征纖維封堵巖石孔隙的數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110928502.0
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113704982A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 楊現禹;蔣國盛;蔡記華;代釗愷;魏朝暉;薛曼;李智;李子碩
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/02
• 代理公司: 貴州派騰知識產權代理有限公司 52114
• 代理人: 周黎亞

本發明公開了一種實時定量化表征纖維封堵巖石孔隙的數值模擬方法，以鉆井液為液相，以纖維為固相，纖維隨鉆井液流動，基于CFD?DEM耦合方法模擬鉆井液中纖維對孔隙的封堵，模擬過程中，設定了包括纖維幾何模型、纖維受力模型和纖維彎折單元，其中纖維幾何模型為多個順序連接的球圓柱體，纖維受力模型包括纖維法向接觸力模型、切向接觸力模型和法向粘附接觸力模型，以及纖維受鉆井液粘滯力作用產生的流動阻力模型；纖維彎折單元由兩個相鄰的球圓柱體組成，當纖維與鉆井液或另一纖維相互作用發生彎折變形時，相鄰的兩個球圓柱體的球面中心產生位移，相鄰的兩個球圓柱體的圓柱面軸線產生角位移。本發明能夠實時且定量的表征纖維類材料對于巖石孔隙的封堵過程及封堵效果。

技術領域

本發明涉及一種數值模擬方法，特別是用于封堵巖石孔隙的包含纖維材料的鉆井液的數值模擬方法。

背景技術

勘探開發頁巖氣和深部地質鉆探過程中維持井壁穩定離不開鉆井與鉆井液。維持井內壓力大于地層孔隙壓力(但不高于破裂壓力)是深部地質鉆探和海洋鉆井較合理的安全開采方式。在此條件下，水基鉆井液不可避免地會侵入巖石孔隙。

而要解決上述問題，就需要在維持井壁穩定的同時盡可能地降低鉆井液侵入程度。加入纖維材料封堵巖石孔隙是增強井壁穩定性的有效方法之一。由于纖維其長徑比優勢，纖維可以形成網狀結構從而形成有效封堵，并阻滯水分的再次侵入。

但目前纖維對巖石孔隙的封堵效果多限于物理實驗數據，關于纖維封堵巖石孔隙維持井壁穩定的數值模擬研究鮮有報道。鉆井液中纖維侵入巖石孔隙后的運移、動態堆積與微觀封堵機理并不明確。

實驗數據問題為物理實驗的最大問題，其動態觀測難度大、成本高、不易成功，因此完全物理實驗來全面掌握纖維封堵微觀機理目前不具可行性。

此外，孔隙復雜度、流體物理性能和孔隙應力的影響使得纖維封堵巖石孔隙的動態封堵機理研究變的更加復雜和困難。

現有技術中對于纖維類在巖石中的應用專利主要集中于纖維的合成和物理實驗方面(CN108384520A)。采用的方法為物理封堵實驗，通過物理實驗測試纖維對于水力裂縫的封堵效果(CN104963673A)。此外，本領域技術人員通過物理實驗探究纖維添加模擬纖維對于石油采收率的影響(CN112627788A)，無法實現實時定量分析。此類方法最大的問題為纖維能夠改變的參數范圍極小，只包含1種纖維參數即纖維長度不同所計算的封堵效率值。

同時，現有技術的研究內容不包含流體粘度改變所帶來的封堵性能評測和模型驗證。以上限制導致不同流體物性特征和多樣纖維參數下纖維封堵效率的動態監測和鉆井液實時侵入量不易快速確定。

發明內容

本發明旨在提供一種實時定量化表征纖維封堵巖石孔隙的數值模擬方法，解決現有針對含有纖維材料的鉆井液試驗無法實時定量化表征纖維封堵巖石孔隙的問題，同時，能夠通過改變多種纖維參數來模擬計算纖維對巖石孔隙的封堵效果。

為實現上述目的，本發明采用了下述方案：

一種實時定量化表征纖維封堵巖石孔隙的數值模擬方法，以鉆井液為液相，以纖維為固相，纖維隨鉆井液流動，基于CFD-DEM耦合方法模擬鉆井液中纖維對水平井和垂直井中孔隙的封堵，其中包括，

孔隙設定，所述孔隙設定中包括設置至少一條彎折的孔道，孔道的兩端分別為入口和出口，且孔道的孔徑在出口處縮小形成孔隙；

鉆井液設定，所述鉆井液設定中包括鉆井液粘度設置，鉆井液粘度采用鉆井液濾液的粘度；

纖維設定，所述纖維設定包括纖維幾何模型、纖維受力模型和纖維彎折單元，其中：