探讨耦合裂缝性地层钻井液漏失动力学

论文导读：
摘要：井漏是一种钻井中较为常见的井下复杂情况,井漏不仅会延长钻井周期,损失大量人力物力,造成储层损害,而且井漏一旦制约不力,还可能会诱发井塌、井喷等重大事故。随着油气资源勘探、开发的深入,常规油气资源越来越少,钻井工程已逐步走向深层、超深层和深水、压力衰竭地层及复杂地层,井漏不足更加突出,制约了安全、快速、高效钻井,成为油气勘探与开发的瓶颈。井漏不足亦是当前探讨的热点和难点,已引起众多国内外学者的关注,开展了大量实验及模拟探讨,形成了针对孔隙性及微裂缝地层的防漏堵漏技术。然而,裂缝性地层漏失方面还有着许多挑战,钻井液漏失论述探讨比较薄弱,远未达到模型化、定量化和科学化的程度。由此,认清裂缝性地层漏失特点及规律,开展裂缝性地层钻井液漏失动力学探讨,是解决钻井液漏失不足的关键。选择川东北及塔河地区碳酸盐岩地层为主要探讨对象,统计浅析了150余口井、483次井漏资料,明确了碳酸盐岩地层钻井液漏失特点及分布规律。在漏失机理综合探讨基础上,将井漏划分为：压裂性漏失、扩展性漏失和压差性漏失三大类,给出了漏失类型的工程识别策略,并建立了缝洞性地层漏失压力模型,为预防钻井液漏失和漏失压力调控提供了论述依据。建立了非牛顿(赫巴)流体在一维线性及二维平面裂缝中的运动方程,明确了流量与压力梯度的非线性函数联系。为节约数值求解时间,对运动方程进行了简化,定量浅析了模型线性化的误差。探讨表明,误差随着裂缝宽度、压力梯度和流型指数增加而降低,随着动切力增加而增加。钻井液漏失时,压力梯度及裂缝宽度一般较大,模型简化所带来的误差对漏失早期行为几乎没有影响,能够满足探讨的需要。研制了高温高压钻井液漏失动态评价仪。仪器主要由钻井液供给系统、钻井液循环系统、裂缝模块系统、制约系统和数据采集系统等五部分组成。模拟缝长1m、缝宽1-10mm、缝高50mm,且考虑了裂缝壁面滤失功能,能够满足大裂缝漏失动态评价。运用高温高压钻井液漏失动态评价仪,初步开展了钻井液漏失实验。探讨表明,所建的一维钻井液漏失模型误差低于12%,证实了模型的有效性。建立了综合考虑非牛顿赫巴流体、裂缝指数(或线性)变形规律、裂缝壁面滤失、钻井液微可压缩性等因素的一维线性及二维平面裂缝钻井液漏失模型,利用有限差分法对模型进行了求解。模拟了无限长及有限长裂缝的钻井液漏失行为,探讨了钻井液漏失曲线特点,明确了裂缝应力敏感程度、压差、裂缝产状及尺寸、钻井液流变性和裂缝壁面滤失特性等参数对漏失的影响。基于分形论述,探讨了粗糙裂缝的合成策略,编制了二维粗糙裂缝的计算机生成程序,建立了粗糙裂缝非牛顿(赫巴)流体钻井液漏失模型,探讨了分形维数、标准差、网格尺寸等参数对漏失动态的影响规律,揭示了非牛顿流体在粗糙裂缝中的漏失规律。探讨表明,裂缝粗糙度对非牛顿流体漏失的影响大于牛顿流体,且当裂缝表面接触率大于零时,会显著地抑制钻井液漏失。以蒙特卡罗随机建模论述为基础,建立了二维及三维离散裂缝网络几何模型,并编制了离散裂缝网络生成程序NM2D和NM3D。结合单裂缝钻井液漏失模型,建立了裂缝网络地层钻井液漏失动力学模型,并通过有限差分法和有限元法实现了模型的求解,重点探讨了二维离散裂缝网络钻井液漏失特点及规律,并初步开展了三维离散裂缝网络钻井液漏失模拟。探讨揭示,裂缝网络地层钻井液漏失曲线出现波动现象,波动的频率及幅度与裂缝网络空间结构密切相关。采取岩石断裂力学和天然裂缝非牛顿流体漏失动力学论述,建立了考虑了裂缝扩展的拟三维压裂性漏失模型,探讨了裂缝动态扩展历程和漏失速率的变化特点及规律,发现裂缝扩展时漏失速率曲线及缝内压力均出现周期性波动现象,该现象与现场水力压裂测试曲线类似,验证了模型的有效性。关键词：井漏论文裂缝论文非牛顿流体论文储层损害论文流固耦合论文
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Abstract6-11
第1章 绪论11-27

1.1 探讨目的及作用11-12

1.2 钻井液漏失论述探讨近况12-23

1.2.1 钻井液漏失机理13-15

1.2.2 钻井液漏失制约论述15-17

1.2.3 钻井液漏失动力学模型17-23

1.3 关论文导读：

键科学不足23-25

1.4 探讨内容与技术路线25-26

1.5 主要革新点26-27

第2章 裂缝性地层钻井液漏失机理探讨27-49

2.1 钻井液漏失特点及规律27-34

2.

1.1 川东北地区27-31

2.

1.2 塔河地区31-34

2.2 钻井液漏失原因34-40

2.1 漏失发生的必要条件34

2.2 漏失条件的形成机制34-37

2.3 钻井液漏失动力学原因37-40

2.3 缝洞性地层漏失类型40-42

2.3.1 缝洞性地层漏失新分类40-41

2.3.2 不同类型漏矢特点浅析41-42

2.4 缝洞性地层漏失压力模型42-49

2.4.1 破裂压力与漏失压力42-43

2.4.2 漏失压力模型建立43-46

2.4.3 模型运用及探讨46-49

第3章 裂缝介质几何建模论述及策略49-73

3.1 裂缝几何特性参数49-55

3.

1.1 裂缝形状49-51

3.

1.2 裂缝产状51

3.

1.3 迹线和迹长51-52

3.

1.4 裂缝间距和密度52

3.

1.5 裂缝宽度和开度52-53

3.

1.6 裂缝面几何形态53-55

3.2 二维粗糙裂缝建模55-62
3.

2.1 粗糙裂缝面分形建模论述55-56

3.

2.2 粗糙裂缝面构建策略56-58

3.

2.3 粗糙裂缝模型计算机合成58-62

3.3 离散裂缝网络建模62-73

3.1 蒙特卡罗随机建模论述63-66

3.2 离散裂缝网络模型生成策略66-68

3.3 离散裂缝网络模型生成结果68-73

第4章 裂缝介质钻井液漏失论述及模型73-113

4.1 非牛顿流体流动论述73-83

4.

1.1 连续性方程73-74

4.

1.2 动量方程74

4.

1.3 状态方程74-75

4.

1.4 流体本构方程75-76

4.

1.5 裂缝变形方程76-81

4.

1.6 裂缝壁面滤失方程81-82

4.

1.7 初始及边界条件82-83

4.2 天然裂缝介质钻井液漏失模型及求解策略83-100
4.

2.1 直角坐标系下一维裂缝漏失模型83-92

4.

2.2 直角坐标系下二维裂缝漏失模型92-95

4.

2.3 柱坐标系下一维裂缝径向漏失模型95-97

4.

2.4 离散裂缝网络漏失模型97-100

4.3 压裂性漏失论述及求解策略100-104
4.

3.1 断裂力学基础论述100-101

4.

3.2 裂缝尖端应力强度因子101-103

4.

3.3 压裂性漏失模型及求解策略103-104

4.4 钻井液漏失实验及模型验证104-113

4.1 钻井液漏失动态评价仪研制104-107

4.2 钻井液漏失实验探讨107-109

4.3 一维模型线性化误差浅析109-111

4.4 压裂性漏失模拟结果及验证111-113

第5章 天然裂缝钻井液漏失动力学模拟113-154

5.1 一维裂缝钻井液漏失行为探讨113-134

5.

1.1 无限长裂缝钻井液漏失模拟113-122

5.

1.2 有限长裂缝钻井液漏失模拟122-134

5.2 二维平面裂缝钻井液漏失行为探讨134-143
5.

2.1 耦合参数对漏失的影响135-136

5.

2.2 裂缝几何特性对漏失的影响136-142

5.

2.3 钻井液流变性对漏失的影响142-143

5.3 离散裂缝网络钻井液漏失行为探讨143-154
5.

3.1 裂缝法向变形刚度对漏失的影响144-145

5.

3.2 钻井液粘度对漏失的影响145-146

5.

3.3 裂缝几何特点对漏失的影响146-151

5.

3.4 裂缝壁面滤失对漏失的影响151-152

5.

3.5 三维裂缝网络钻井液漏失特点152-154

第6章 结论与倡议154-156

6.1 主要结论154-155

6.2 今后工作的倡议155-156

致谢156-157
参考文献157-166
攻读博士学位期间发表的论文及科研成果166-167