井下碳酸盐岩裂缝多物理场耦合变形与渗流机理研究

Fractures are the main flow channels for economic and efficient development of carbonate reservoirs. However, they usually lead to lost circulation, difficulty of wellbore pressure control and inaccurate prediction of dynamic productivity during well drilling, completion and exploitation. It is of great importance to scientifically describe the multi-physics filed coupling mechanism of seepage and deformation of downhole carbonate fracture. In this research, the deformation mechanism of carbonate asperity and its constitutive model will be studied first on the base of its meso-mechanics and micro-fabrics. Then, the experimental and numerical studies of multi-physics field deformation of carbonate fracture will be carry out to establish its theoretical models, by considering the coupled mechanical behaviors of both asperities and matrix. After this, the coupled deformation and seepage of carbonate fracture under downhole complex mechanical environment will be simulated by experimental and numerical ways. Finally, the numerical models of downhole fracture seepage and deformation and near wellbore formation stress will be set up. This study will further reveal the multi-physics filed coupling mechanism of seepage and deformation spatial structure of carbonate fracture, and provide theoretical basis for future experiments and engineering applications, such as circulation loss control, wellbore pressure control, and dynamic productivity prediction.

裂缝是碳酸盐岩油气藏的主要流动通道，但同时也是钻完井作业和开采过程工作液漏失控制、井筒压力控制和动态产能准确预测困难的根源。科学定量描述井下复杂力学环境、多物理场耦合作用下的裂缝变形与渗流十分关键，目前还亟待深入。本项目拟通过裂缝表面微凸体的细观岩石力学与微组构研究，揭示微凸体细观变形机理并建立其力学本构模型；基于裂缝面微凸体、基块的力学性质与裂缝空间结构的定量刻画，开展多物理场耦合作用下裂缝变形模拟实验与计算机仿真，揭示其机理并建立理论模型；基于钻完井与开采作业的井下压力变化与井筒-裂缝耦合流动，开展多场耦合作用下的裂缝渗流、井周应力与裂缝空间结构实验模拟与计算机仿真，揭示其变化规律并建立定量描述模型。研究结果有助于进一步揭示多场耦合作用下的碳酸盐岩裂缝空间结构变形与耦合渗流机理，并提供更为科学的理论模型，同时为井下作业环节的堵漏方案设计、压力控制及动态产能评价等提供科学依据。

依托基金资助，本项目针对碳酸盐岩裂缝性地层钻井过程中易发的井漏、溢流、井筒压力控制等问题，开展了碳酸盐岩裂缝面位图体细观岩石力学、碳酸盐岩裂缝多物理场耦合变形机理、井下复杂力学环境裂缝多场耦合渗流与变形规律的研究。主要取得了如下研究成果：①通过对碳酸盐岩缝面微凸体的细观岩石力学测试、微观组构分析、非均质模型构建与仿真，揭示了微凸体应力-应变规律，建立了微凸体细观岩石力学本构模型；②通过高精度三维扫描与数值重构方法构建碳酸盐岩裂缝内部流动空间模型，并开展了裂缝多物理场耦合变形实验与仿真，建立了裂缝多物理场耦合变形数学模型；③结合碳酸盐岩裂缝内部空间高精度重构方法，构建了井筒-裂缝-地层耦合流动几何模型与实验装置，并通过实验与数值模拟分析了井下复杂力学环境下的井筒裂缝流动规律；④构建了井筒-裂缝多场耦合流动物理实验模拟装置，分析了井下复杂力学环境对裂缝变形的影响规律；⑤通过可视化实验与数值模拟分析了真实碳酸盐裂缝中颗粒封堵机理，分析了裂缝动态变形对裂缝封堵的影响规律，并结合已有研究成果提出了一种针对碳酸盐岩裂缝性地层常见复杂的堵控结合的主动压力控制方法。研究成果为元坝、顺北、南堡等地区的裂缝性地层钻井遇到的复杂问题提供了理论指导与解决方案。.依托基金资助，在国内外核心刊物上发表高质量的相关学术论文18篇，其中SCI检索6篇，中文核心及以上检索7篇，会议论文5篇（EI检索2篇）；授权国际发明专利1项，申请国内发明专利7项（授权2项），授权实用新型专利5项；培养博士研究生1名，硕士研究生6名。