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介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟

李洁 冯奇 张高峰 崔凯潇 蒋官澄 贺垠博

李洁,冯奇,张高峰,等. 介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟[J]. 钻井液与完井液,2022,39(6):721-729 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.06.009
引用本文: 李洁,冯奇,张高峰,等. 介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟[J]. 钻井液与完井液,2022,39(6):721-729 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.06.009
LI Jie, FENG Qi, ZHANG Gaofeng, et al.CDF-DEM Simulation of the formation and failure mechanisms of plugging layers formed by plugging particles in fractures at mesoscale[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(6):721-729 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.06.009
Citation: LI Jie, FENG Qi, ZHANG Gaofeng, et al.CDF-DEM Simulation of the formation and failure mechanisms of plugging layers formed by plugging particles in fractures at mesoscale[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(6):721-729 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.06.009

介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.06.009
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目“智能钻井液聚合物处理剂刺激响应机理与分子结构设计方法研究”(52004297)
详细信息
    作者简介:

    李洁,硕士,1995年生,毕业于西南石油大学地质工程专业,现在从事入井流体和提高采收率研究工作。E-mail:240807185@qq.com

  • 中图分类号: TE282

CDF-DEM Simulation of the Formation and Failure Mechanisms of Plugging Layers Formed by Plugging Particles in Fractures at Mesoscale

  • 摘要: 堵漏材料进入地层裂缝后,通常期望其能够在漏失通道内快速形成稳定的高强度封堵层,从而实现井筒与漏失层的有效隔离,这对控制漏失程度和强化井筒至关重要。当前,普遍从以封堵层为整体的宏观角度以及从单个堵漏颗粒性质的微观角度来分析研究封堵层的降低漏速能力和承压能力,而从介观尺度研究堵漏颗粒封堵层在裂缝内的演化过程较少。为进一步揭示裂缝内堵漏颗粒封堵层的形成与破坏机理,基于计算流体力学和离散元耦合模拟方法,研究了堵漏颗粒在楔形裂缝内滞留、架桥、封堵和失稳破坏过程,分析了介观尺度下堵漏材料性质及钻井液性能对裂缝封堵层形成影响机理。结果表明,堵漏颗粒进入裂缝后经过滞留、堆积、封堵过程形成封堵层,且封堵层前端是封堵层稳定的关键部位。堵漏颗粒尺寸越小,封堵层位置越接近裂缝出口。堵漏颗粒浓度增加会显著缩短封堵层形成时间,当浓度由2%增加至30%时,封堵层的初始形成时间由0.090 s降低至0.036 s,降低了60%,此外,堵漏颗粒几何和物理性质以及钻井液参数对封堵层形成及破坏均具有较为明显的影响。研究结果对进一步优化堵漏颗粒并快速形成高效封堵层具有一定的参考价值。

     

  • 图  1  PPA堵漏仪中楔形缝模块3D模型

    图  2  堵漏颗粒形状

    注:从左至右依次为球体、椭圆体、正方体、正三棱柱和正三棱锥

    图  3  颗粒封堵裂缝过程(颗粒尺寸为2 mm,浓度为30%)

    图  4  封堵层形成过程中颗粒之间  力链(由法向力组成)的发展

    图  5  封堵层中颗粒对裂缝壁面的法向力分布(a),颗粒之间(b)及颗粒与裂缝壁面之间(c)的切向力分布(0.07 s)

    图  6  Ro介于0.50~1.75时不同浓度下 颗粒封堵层的初始形成时间

    图  7  不同Ro下颗粒封堵层的位置分布

    注:起始位置为裂缝入口所在平面

    图  8  不同Ro下的颗粒封堵层前端位置分布

    注:裂缝入口在0 mm,裂缝出口在43 mm

    图  9  不同颗粒形状时封堵层形成的初始时间

    图  10  不同颗粒密度下封堵层初始形成时间

    图  11  封堵层的形成、滑移与失效过程

    注:颗粒杨氏模量为1000 MPa

    图  12  不同堵漏颗粒与裂缝壁面之间不同   静摩擦系数下封堵层初始形成时间

    图  13  不同漏失速度下封堵层初始形成时间

    图  14  不同钻井液稠度系数K下封堵层初始形成时间

    图  15  不同钻井液流型指数n下封堵层初始形成时间

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-22
  • 修回日期:  2022-08-05
  • 刊出日期:  2022-11-30

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