[发明专利]裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法

说明书

本发明公开了裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法，通过建立井周围岩弹性变形方程，描述裂缝内流体流动方程和封堵层内流体流动方程并对其求解，将离散后的井周围岩弹性变形方程代入裂缝内流体流动方程，得到裂缝性地层井壁强化的流固耦合方程组并求解；最后将基础参数带入流固耦合方程组中，模拟不同参数组合条件下封堵裂缝的力学响应特征、宽度演化特征及流量分布特征。本发明系统考虑了井壁强化过程中封堵裂缝内的复杂流动形态及多力耦合作用下的封堵层变形和渗流特征，消除了常规方法选用恒压边界条件或非渗透封堵层的局限性，提出的流固耦合数值模拟方法能够为裂缝性地层井壁强化参数设计及效果评价提供理论支撑和技术指导。

技术领域

本发明涉及油气勘探技术领域，具体涉及裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法。

背景技术

随着全球油气勘探开发向深部地层和非常规油气资源过渡，钻遇破碎性地层、裂缝发育地层以及复杂压力系统地层的概率大大增加，导致钻探面临的钻井液漏失问题也更加突出。井漏不仅造成高额的钻井液材料损失和较长的非生产时间，还易诱发井壁失稳、井喷、卡钻等井下故障，同时漏失的钻井液还会对储层造成不可估量的伤害。井壁强化技术是治理井漏的有效手段之一，其采用不同类型、粒径和浓度的堵漏材料在裂缝内适当位置处进行架桥，形成致密封堵层，从而实现控制钻井液漏失和提高地层承压能力的双重目标。但是，如何准确预测井壁强化效果并据此优化堵漏材料类型、尺寸和浓度，对井漏治理至关重要。为此，国内外学者针对裂缝性地层井壁强化效果预测方法开展了较为深入的研究。2012年，Morita等基于断裂力学理论建立了考虑地应力、井壁压力以及裂缝内压力的井壁强化效果预测模型；2014年，Shahri等基于边界元理论建立了预测裂缝宽度和井壁强化效果的半解析模型，初步形成了井壁强化优化设计的技术流程；2016年，Feng等基于线弹性断裂力学理论和Kirsch解推导了评价井壁强化效果的解析模型；2017年，Miska等首次将水力压裂模型和质量守恒原理相结合，研究了井壁强化的力学机理和作用效果。虽然上述模型和方法为井壁强化方案设计提供了一定的理论指导，但均存在一定的局限性。例如，井壁强化属于典型的流固耦合过程，必须考虑井周围岩-裂缝-封堵层系统间的相互作用，但现有的解析模型或数值模型均基于恒压边界条件而建立，鲜有考虑封堵层渗透性及其与裂缝面间相互作用的影响，致使井壁强化效果预测失真，从而不能为井壁强化的堵漏方案设计提供理论依据。

发明内容

针对上述问题，本发明提供裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法,系统考虑了井壁强化过程中封堵裂缝内的复杂流动形态以及多力耦合作用下的封堵层变形和渗流特征。

本发明采用下述的技术方案：

裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法，包括以下步骤：

S1、综合考虑地应力、井壁压力、封堵裂缝内流体压力以及封堵层-裂缝面相互作用的影响，建立井周围岩弹性变形方程，并给出初始与边界条件；

S2、根据质量守恒方程和连续性方程，分别建立描述裂缝内流体流动方程和封堵层内流体流动方程；

S3、将建立的井周围岩弹性变形方程采用位移不连续方法进行数值求解，将建立的裂缝内流体流动方程采用有限差分法进行求解，将离散后的弹性变形方程代入流动方程，得到裂缝性地层井壁强化的流固耦合方程组，最后采用完全耦合迭代法对流固耦合方程组进行求解；

S4、将基础参数带入流固耦合方程组中，模拟不同参数组合条件下封堵裂缝的力学响应特征、宽度演化特征及流量分布特征。

优选的，步骤S1中，地应力、井壁压力以及封堵裂缝内流体压力共同作用下的井周围岩弹性变形方程为：

其中

公式(2)中，