纳米材料增强页岩井壁稳定性的数值模拟与实验研究

发布时间：2025-06-10 03:13

　　页岩气作为重要的非常规天然气之一,储量丰富。页岩是典型的低渗透性沉积岩,其井壁稳定问题始终是国内外页岩气（油）勘探开发中的难点和热点,页岩气钻井过程中所钻遇75%以上的地层是页岩地层,而由它引起的井眼失稳问题超过90%。抑制页岩水化和封堵页岩纳米孔隙,是页岩气水平井能否稳定以及页岩气能否高效持续开采的基础。基于环保和经济成本压力,如果钻井液和页岩之间相互作用可以被最小化,水基钻井液比油基钻井液将更具应用前景,而使用水基钻井液同时不污染环境的最优措施为盐水基钻井液。因此盐溶液对页岩渗透率、膜效率和润湿性的影响规律需要明确。纳米颗粒可以封堵页岩裂缝和裂隙已经得到了学界和工业界的认可,然而,纳米颗粒在页岩孔隙中的运动规律尚未被认识。哪些参数可以提升纳米颗粒在微纳米尺度上的封堵效果也并不明确。因此,本文采用实验测试、微观观测、理论分析和数值模拟结合的方式,利用页岩压力传递实验仪等设备研究盐溶液在压差作用下对页岩物理-化学渗流性能以及表面性能的影响,评价工程实际条件下盐水基溶液对页岩渗透率、膜效率和润湿性的影响,为设计维持页岩气水平井井壁稳定性的盐水基钻井液提供基础。进一步地,提供一种数值模拟模型...

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
作者简历
摘要
abstract
符号说明
第一章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 页岩特征和龙马溪组页岩综述
        1.2.2 页岩井壁稳定性研究
        1.2.3 钻井液化学抑制维持井壁稳定性
        1.2.4 纳米材料物理封堵维持井壁稳定性
    1.3 研究目标、研究内容与技术路线
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 研究内容
        1.3.3 需解决的科学问题
        1.3.4 技术路线
第二章 页岩物化特征和纳米材料封堵性能评价
    2.1 页岩采集信息和特性
        2.1.1 龙马溪组页岩矿物成分分析
        2.1.2 秀山龙马溪组页岩形貌分析
    2.2 纳米材料的筛选和封堵测试评价
        2.2.1 纳米材料筛选
        2.2.2 纳米材料封堵页岩孔隙评价
    2.3 本章小结
第三章 纳米材料封堵页岩孔隙的数值模拟
    3.1 颗粒封堵和堆积理论基础
        3.1.1 DEM方法简介
        3.1.2 颗粒碰撞模型
        3.1.3 颗粒之间非接触力模型
        3.1.4 粒子-流体相互作用力模型
        3.1.5 颗粒在流体中流动模型
    3.2 纳米材料封堵模拟简介
    3.3 颗粒堆积模型及其参数设置
        3.3.1 流体及颗粒运动本构模型
        3.3.2 颗粒堆积模型
        3.3.3 模型尺寸、物理特性、网格及碰撞属性
    3.4 页岩孔隙封堵效率的敏感性分析
        3.4.1 重力对颗粒封堵孔隙的影响
        3.4.2 颗粒拖拽力对封堵孔隙效率的影响及其UDF模型
        3.4.3 颗粒与出口尺寸比率对封堵效率的影响
        3.4.4 颗粒入口速度对封堵效率的影响
        3.4.5 颗粒浓度对封堵效率的影响
        3.4.6 颗粒释放模型对封堵效率的影响
        3.4.7 颗粒密度对封堵效率的影响
        3.4.8 颗粒旋转对封堵效率的影响
        3.4.9 颗粒形状对封堵效率的影响
        3.4.10 颗粒和孔隙粗糙度对封堵效率的影响
        3.4.11 孔隙曲折度对模型效率的影响
    3.5 实验验证
        3.5.1 纳米颗粒浓度实验验证
        3.5.2 纳米颗粒尺寸实验验证
        3.5.3 SEM测试
    3.6 本章小结
第四章 盐溶液对龙马溪组页岩物理性能影响机理
    4.1 实验材料及仪器
    4.2 盐溶液对人工页岩渗流过程的影响规律
        4.2.1 渗流过程测试理论基础
        4.2.2 渗流过程实验程序及方法
        4.2.3 人工页岩渗流过程数据分析
    4.3 盐溶液对龙马溪组页岩渗流过程的影响规律
        4.3.1 渗流过程实验结果
        4.3.2 龙马溪组页岩渗流过程数据分析
    4.4 盐溶液对龙马溪组页岩膜效率的影响规律
        4.4.1 测试原理
        4.4.2 实验程序及方法
        4.4.3 实验数据
        4.4.4 膜效率数据分析
    4.5 盐溶液对龙马溪组页岩接触角的影响规律
        4.5.1 实验方法
        4.5.2 实验数据
        4.5.3 接触角数据分析
    4.6 本章小结
第五章 基于纳米颗粒的盐水基钻井液增强页岩井壁稳定性的实验研究
    5.1 实验方法
        5.1.1 基于纳米材料物理封堵和盐溶液化学抑制的协同方法
        5.1.2 实验材料、实验仪器和评价方法
    5.2 基于纳米颗粒的盐水基钻井液体系实验数据
        5.2.1 高性能盐水基钻井液体系配方
        5.2.2 基础性能测试
        5.2.3 水活度及润滑性测试
        5.2.4 流体流型分析
        5.2.5 页岩抑制性评价
        5.2.6 润湿性测试
        5.2.7 环保性评价
        5.2.8 页岩井壁稳定性评价
    5.3 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论与创新点
        6.1.1 结论
        6.1.2 创新点
    6.2 论文不足
    6.3 进一步研究思路
致谢
参考文献



本文编号：4050226