页岩孔缝纳微颗粒双尺度封堵理论与仿真方法研究

Shale wellbore instability caused by water invasion is a worldwide problem for oil and gas drilling, and particles plugging is an economic and effective method to solve it. Current design of plugging particle is mainly determined by experiments and empirical rules, and it lacks theoretical basis and does not clearly represent pore plugging microscopic mechanism. Therefore, it is crucial for designing plugging particles effectively and avoiding wellbore instability to investigate plugging theory systematically and proposing a simulation method. In the study, mathematical modeling, numerical simulation and experimental research are all used to solve scientific and technical problems of particle plugging. The grain size gradation models developed illustrate micro-mechanism of plugging pores and fractures with Nano-micro particles (Single blocking model, Bridging model and Packing model). Considering the properties and dynamics of plugging material, a simulation method is proposed to represent the process of plugging based on discrete element method. And combined with the plugging experiments, the relationship is analyzed and built between macro experiments and micro simulations. The study on plugging micro mechanism, theoretical basis and simulation method is a supplement to particles plugging theory. And it provides theoretical and scientific foundation for shale wellbore stability in drilling, and can also be applied in preventing formation damage and lost circulation.

页岩井壁水侵失稳是困扰油气钻井的世界性难题，颗粒封堵是解决其经济有效的措施之一。目前封堵设计主要依赖于实验和经验确定，其理论依据不明确、标准不统一、微观机制也不明晰，效果无法预知，因此，系统研究封堵理论、探索揭示封堵微观机制的方法，是高效指导颗粒封堵，解决页岩井壁水侵失稳问题的必要途径。本课题针对颗粒封堵的关键科学和技术问题，理论建模、数值模拟和实验研究相结合，系统研究纳微颗粒双尺度封堵孔缝的卡堵、架桥和填充密实的理论和微观机制，建立关系模型；考虑纳微颗粒性能和在钻井液中运动特性，基于离散元素法，形成颗粒封堵的仿真模拟方法；针对不同孔缝特征，微观模拟结合宏观实验，研究纳微颗粒双尺度封堵页岩孔缝的宏微观关系及规律。本课题封堵微观机制、理论依据和仿真模拟方法研究具有较强的基础性，是颗粒封堵理论的补充和完善。为页岩钻井防井壁失稳奠定理论基础，也可应用于储层保护、堵漏等方面。

页岩钻进水侵引发的井壁失稳问题是困扰油气钻井的世界性难题，每年给世界石油工业造成了巨大的经济损失，采用纳微米颗粒封堵页岩孔缝是解决这一难题的最经济有效的措施之一。目前此类研究主要基于经验规则给出颗粒大小及配比、通过实验方法评价封堵效果，封堵颗粒粒径确定的理论依据不足，且未能揭示微观机制。数值模拟方法能够很好的揭示封堵微观过程和封堵机制。. 调研统计页岩孔缝基本特征，通过颗粒堆积方式表征构建页岩孔缝结构；分析纳微颗粒在钻井液中弹、塑、粘及其动力学特性，建立颗粒碰撞和运移模型；基于离散元法描述纳微颗粒在页岩井壁和孔缝中的接触、碰撞和堆积过程，构建封堵效果评价指标体系，形成颗粒封堵模拟方法并进行验证。. 根据颗粒堆积粒-孔基本关系、挤嵌原理和孔口颗粒流堵塞特性，建立卡堵、架桥颗粒粒径与孔缝尺寸的关系模型；依据最大密实理论，研究充填与架桥颗粒级配关系，形成孔缝-颗粒卡堵架桥匹配、填充密实级配理论。并针对孔喉尺寸的非均质性，分别提出了卡堵-充填颗粒分段封堵设计规则和架桥-充填颗粒分段封堵设计规则。.利用所建立的封堵模拟方法对颗粒封堵页岩过程进行模拟，从微观角度阐释了钻井液作用下纳微颗粒封堵孔缝的机理，揭示了纳微颗粒封堵页岩孔缝的基本规律，并建立了颗粒粒径-孔径以及粒径-缝宽匹配关系模型，为现场封堵颗粒的设计和优选提供了理论和技术支持。对于形成高效颗粒封堵、稳定井壁及实现页岩油气资源高效开发具有重要意义。. 项目资助发表期刊论文6篇（其中SCI二区论文3篇、三区1篇、四区1、中文核心期刊论文1篇），会议论文4篇（其中1篇EI检索），授权发明专利3件，实审发明专利3件，出版211专著1部，成果获省部级科技进步奖2项。项目投入经费60万元，已支出55.3485万元，各项支出基本与计划相符 ，剩余经费计划用于本项目后期支出。