一种三孔隙介质流动模型结合位错断裂力学改善钻井液裂缝堵漏效果的方法

本发明属于钻井液裂缝性漏失及堵漏领域，具体涉及到一种三孔隙介质流动模型结合位错断裂力学改善钻井液裂缝堵漏效果的方法。

背景技术：

1、在油气井钻进过程中，裂缝性地层造成的井筒工作液漏失，导致施工中增加了大量额外成本，甚至会引起井壁失稳，造成严重的安全问题。为了解决漏失问题，采用在钻井液中添加用封堵材料(lcms)的办法进行堵漏，lcms通常需要根据裂缝宽度进行选择和设计，以确保堵漏效果。

2、为了准确估计裂缝尺寸，研究人员尝试开发与井筒流体漏失相关的力学模型。研究表明，与数值建模和分析模型相比，半解析模型不仅能准确预测不同条件下的裂缝宽度和应力强度因子，而且计算效率更高。在天然裂缝中，流体漏失发生在最初较大并逐渐降低的流速下，漏失量由裂缝宽度、孔隙度、支撑剂电导率和流体流动决定，因此研究人员开发了描述裂缝中流动的流体的模型。

3、然而，这些模型忽略了流经井筒流向基质的流体，这可能使裂缝周围基质的压力升高，从而导致裂缝尖端的压力升高，堵漏效果差。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种三孔隙介质流动模型结合位错断裂力学改善钻井液裂缝堵漏效果的方法。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种三孔隙介质流动模型结合位错断裂力学改善钻井液裂缝堵漏效果的方法，包括，

5、包括，

6、确定钻井真实裂缝宽度数据参数集；

7、输入参数集，构建三孔隙介质流动模型，添加流动控制方程，设置边界条件，进行网格划分设置，配置求解模式，求解计算得到裂缝内流体压力pf分布仿真结果；

8、通过编写程序代码构建方程组，将得到的pf数据导入，运行程序，计算得到位错分布函数f(tk)进而得到裂缝宽度w(tk)、裂缝尖端应力强度因子ki；

9、通过修改参数，得到不同条件下的裂缝强度因子ki，绘制ki与相关参数的关系图，导入目标地层的韧性系数kic，如kic≥ki表示裂缝会继续扩展，kic<ki裂缝则保持稳定；

10、通过钻井过程中即时预测裂缝宽度和裂缝再扩展，合理设计封堵材料，提高裂缝性漏失的一次堵漏成功率，避免持续性漏失和恶性漏失。

11、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述方程组，其构建方法包括，

12、沿裂缝的净压力是完整井筒周围的切向应力分量和沿裂缝分布的应力的叠加，表达式如下：

13、

14、其中，σθθ表示井筒切向应力，σh和σh分别为最大水平应力和最小水平应力，θ表示裂缝与最大水平应力的夹角，r为井筒半径，r为距井筒中心的距离，pw为井筒内压力；

15、当存在两条轴对称裂缝时，根据复函数的势，断裂面应力分布等于：

16、

17、其中，表示断裂面的应力分布，r为井筒半径，b为裂缝尖端位置，f(ξ)为确定裂缝宽度分布和裂缝尖端应力强度因子的位错分布函数，ξ为各位错尖端的位置，x为应力场的位置；

18、

19、裂缝口最大开度的补充条件：

20、f(r)＝0                                            (4)

21、沿断裂面的牵引力可以表示为：

22、

23、其中，e‘为平面应变弹性模量，e’＝2g/(1-v)(v为泊松比，g为剪切模量)，表示断裂面的应力分布，σθθ表示井筒切向应力，pf为裂缝内流体压力；

24、根据切比雪夫多项式的性质，由方程(2)、(4)、(5)，将积分区间从[a、b]变换为[-1、1]，构造方程组如下：

25、

26、

27、

28、归一化处理：

29、

30、

31、其中，表示断裂面的应力分布，r为井筒半径，b为裂缝尖端位置，m为常数，ξ为各位错尖端的位置，tk为ξ的归一化处理之后的值，x为计算出的应力场的位置，y为x经过归一化处理之后的值，通过同时求解方程(6)和(7)，得到分布函数f(tk)；

32、使用基于位错理论的半解析模型将裂缝宽度和应力强度因子表示为：

33、

34、

35、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述确定钻井真实裂缝宽度数据参数集，包括，采集目标地层历史钻井数据、堵漏案例以及成像测井真实裂缝宽度数据资料，通过对数据资料的收集、整理和验证，得到参数集。

36、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述的参数集，包括基质孔隙度φm、基质渗透率km、基质弹性模量km、填充堵漏材料孔隙度φf、填充堵漏材料渗透率kf、流体体积模量kw、流体粘度μ、流体体积压缩系数cbf、初始孔隙压力p0、井筒压力pw、基质孔隙压力pm、滤失系数ω、裂缝长度l和作业时间t。

37、5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流动控制方程如下：

38、

39、

40、

41、

42、其中，kw和km分别为流体体积模量和基质体积模量，km为基质渗透率，kf为填充堵漏材料渗透率，φ为孔隙度，φm为基质孔隙度，φf为堵漏材料孔隙度，μ为流体粘度，ρ为流体密度，p为流体压力，cb为体积压缩系数，α为泥饼渗透系数，下标m,f,c分别为基质，流体和泥饼，pm为基质孔隙压力，pf为裂缝中流体压力，ω为滤失系数，cbf为流体体积压缩系数，t为时间。

43、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：设置边界条件如下：

44、pm(r,t)＝pf(r,t)＝pw                   (16)

45、pm(r,∞)＝p0                           (17)

46、qf(r+l,t)＝ω(pf-pm)                   (18)

47、pm(x,t0)＝pf(x,t0)＝p0                   (19)

48、其中，p0为初始孔隙压力，pw为井筒压力，pm为基质孔隙压力，pf为裂缝中流体压力，r为井筒半径，l为裂缝长度，t为作业时间，t0为初始时间，qf为流体流量，ω为滤失系数，x为应力场的位置。

49、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述输入参数集，构建三孔隙介质流动模型，其中，包括启动商业有限元软件comsol multiphysics三孔隙介质流动模型。

50、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述通过编写程序代码，包括，通过matlab软件编写程序代码。

51、作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述通过编写程序代码构建方程组，其中，构建的方程组如下：

52、

53、

54、

55、f(r)＝0                                              (4)

56、

57、

58、

59、

60、

61、

62、

63、

64、其中，σθθ表示井筒切向应力，θ表示裂缝与最大水平应力的夹角，σh和σh分别为最大水平应力和最小水平应力，r为井筒半径，r为距井筒中心的距离，pw为井筒压力，表示断裂面的应力分布，f(ξ)为确定裂缝宽度分布和裂缝尖端应力强度因子的位错分布函数，ξ为各位错尖端的位置，x为计算出的应力场的位置，y为x经过归一化处理之后的值，e'为平面应变弹性模量，e'＝2g/(1-v)，v为泊松比，g为剪切模量，pf为裂缝内流体压力，ki表示裂缝压力强度因子，b为裂缝尖端位置，m为常数，tk为ξ经过归一化处理之后的值，w(tk)表示裂缝宽度。

65、本发明有益效果：

66、(1)本发明相较于前人忽略漏失过程中裂缝内流体压力变化的方法，引入三孔隙介质流动模型，条件更加贴近作业现场的真实场景，计算结果更加准确并具有指导意义。

67、(2)本发明采用的方法将三孔隙介质流动模型结合位错断裂力学的半解析分析方法，通过理论推导，得到一种在裂缝内部流体压力变化的情况下计算裂缝宽度和评价裂缝扩展的方法，通过该方法计算得出的漏失裂缝宽度和评价裂缝扩展，能够为钻井堵漏作业中的封堵材料设计和方法选择提供判断依据，为技术人员提供更加准确、有效的决策依据，提高作业效率和成功率，节约施工成本。