CN114550852A - 基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法，属于漏失控制技术领域。该方法包括以下步骤：获取材料的封堵层力链网络：根据颗粒材料的几何参数、力学参数以及配比，通过室内实验或计算机模拟获取封堵层的力链网络；提取力链网络特征参数，并依次按照力链网络特征参数中的力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比的优先度对刚性颗粒材料进行优选，其中，所述力链网络结构包括环状力链网络和链状力链网络，且所述环状力链网络的优先度高于所述链状力链网络的优先度。本发明的方法，能够定量优选出较佳的堵漏配方，且其实验时间短、操作方便。

Description

基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法

技术领域

本发明涉及漏失控制技术领域，具体涉及一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法。

背景技术

油气钻探逐渐趋于深部地层，而深部地层发育裂缝发育，常导致油气井工作液大量漏失，引发各种工程问题，给油气资源勘探开发造成极大困难，故需对深层裂缝性储层实施漏失控制措施（俗称堵漏）。裂缝性储层常用一定配比的堵漏材料进入裂缝形成裂缝封堵层以阻止钻完井工作液继续漏失，其关键在于使用的堵漏配方能够有效形成稳定且致密的裂缝封堵层。

现阶段，优化一种堵漏配方大多是凭经验多次添加、减少或替换某些种类的堵漏材料，再通过室内堵漏承压实验验证每次调整后的配方是否有效，最终得到一个针对某深层裂缝性储层的优化堵漏配方。这种优化方法十分依赖配方设计者自身经验，且每次调整后验证配方有效性的室内堵漏承压实验失败几率不低，致使优化一个堵漏配方耗时耗力。

为此，现有技术人员尝试提出一些通用性的方法以对堵漏材料进行优化， 如中国专利CN111060401A公开了一种基于光弹性实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，其利用光弹性材料制备成不同形状的模拟刚性堵漏材料，后对其进行光弹性实验，根据这些材料在实验过程中载荷与时间关系曲线获取材料的承压能力。但是，在实际应用过程中，在持续增压时，并非所有的实验组都会出现力链网络断裂的情况，还会出现旧的力链网络向末端延伸以及出现新的强力链的情况；同时，通过观察法判断力链网络结构是否断裂一般需要通过肉眼进行观察，具有一定的误差。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法，其采用定量的方式对堵漏配方中的刚性颗粒材料进行优选，使得最终结果更加准确。

本发明采用以下技术方案为：

一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法，包括以下步骤：

获取材料的封堵层力链网络：根据颗粒材料的几何参数、力学参数以及配比，通过室内实验或计算机模拟获取封堵层的力链网络结构；

提取力链网络特征参数，并依次按照力链网络特征参数中的力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比的优先度对刚性颗粒材料进行优选；

其中，力链网络结构的数量按照首先判断环状力链网络结构的数量、后判断链状力链网络结构的数量的方式进行判断，具体的，首先判断环状力链网络结构的数量，环状力链网络数量越多，则该材料越优；若环状力链网络结构的数量相同或不存在环状力链网络结构，则判断链状力链网络结构的数量，链状力链网络结构的数量越多，则该材料越优；

当通过力链网络结构的数量不能判断出材料的优劣时，通过强力链平均抗剪切强度继续进行优选：强力链平均抗剪切强度越大，则该材料越优；

当通过强力链平均抗剪切强度仍然不能判断出材料的优劣时，最后通过强力链占比继续对材料进行优选：强力链占比越高，则该材料越优。

本发明的有益效果是：

操作简单，节约时间。同时，本方法采用量化分析，使得最终得出的结果更加准确，避免了现有技术中通过观察法得到的准确性相对较低的问题；同时，本发明的方法，适用范围更广，不仅能够避免采用光弹性实验时力链网络不会一次性断裂的问题，同时还能够采用计算机模拟的手段获得实验数据，实验结果更加准确的同时，数据来源也更加广泛。

附图说明

图1为常用刚性堵漏材料示意图；

图2为不同形状的光弹性材料实物图；

图3为不同形状的刚性材料组成的配方的力链网络图；

图4为不同形状的刚性材料组成的配方的力链网络形态图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法，包括以下步骤：

首先获取材料的封堵层力链网络：

先获取刚性颗粒材料的几何参数和力学参数，通过这些几何参数和力学参数获取封堵层的力链网络。

其中，几何参数包括刚性材料的粒度、圆球度、形状，力学参数包括滑动摩擦系数、滚动摩擦系数。从理论上来讲，几何参数中一切参数都可以用本发明的方法进行优选，比如比表面积、颗粒上的孔隙大小、颗粒本身的形状、以及颗粒尺寸等等，但是，对于刚性颗粒堵漏材料而言，其形状以及尺寸是最重要的因素，因此，可以优选刚性颗粒材料的粒度、圆球度以及形状作为几何参数。

从理论上将，本发明中可优化的力学参数包括颗粒材料的杨氏模量、松泊比、回弹系数、滑动摩擦系数以及滚动摩擦系数，但是，由于在实际的使用过程中，颗粒材料的材质通常仅为碳酸钙、陶瓷等，其杨氏模量、松泊比、回弹系数差别不大，但是因为制作工艺的不同，导致其滑动摩擦系数和滚动摩擦系数的差别较大，因此，可以优选刚性颗粒材料的滑动摩擦系数和滚动摩擦系数作为力学参数。

同时，现有技术中还存在将不同特征的刚性颗粒材料混合使用的情况，比如将陶粒和核桃壳进行混用等，因此，还可以根据实际情况的不同，选择不同配比的刚性颗粒材料进行实验，最终以得到两种材料的最佳配比。

其中，力链网络结构可通过室内实验或者计算机模拟得到。所谓的室内实验，通常是指光弹性实验，该实验为现有技术，因此在此处对其具体操作不予赘述；所谓的计算机模拟，是指通过CFD-DEM（即耦合计算流体力学与离散元）方法模拟，该方法仍然为现有技术，因此对其具体操作仍然不予赘述。

在获取了材料的力链网络结构后，提取力链网络结构结构的特征参数，特征参数包括：力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比。在获取了这些特征参数后，按照力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比的优先度，对刚性颗粒材料进行优选。

其中，力链网络几何结构包括链状力链网络和环状力链网络，根据发明人的大量实验表明，对于力链网络结构而言，环状力链网络对封堵层稳定性的贡献远大于链状力链网络，因为链状强力链难以承受与该强力链传递方向相垂直的载荷，而环状强力链能够承受来自多个方向的载荷，具有更高的承压稳定性。

因此，在对刚性颗粒材料进行优选时，应当首选比较环状力链网络结构的数量，环状力链网络的数量越多，则含有该刚性颗粒的堵漏配方越好，最终封堵层的稳定性越好；但是，发明人在实验过程中发现，并非所有的模拟封堵层结构均会出现环状力链网络，同时，也存在环状力链网络数量相同的情况，因此，在仅采用环状力链网络难以优选出较好的刚性颗粒材料时，可以通过链状力链网络的数量进行优选，链状力链网络的数量越多，则含有该刚性颗粒的堵漏配方越好，最终封堵层的稳定性越好。

当通过力链网络结构的数量难以优选出更好的刚性颗粒材料时，可继续通过强力链平均抗剪切强度进行优选，强力链平均抗剪切强度越高，则含有该刚性颗粒的堵漏配方越好。其中，以所有强力链抗剪切强度的算术平均值作为强力链平均抗剪切强度，单个强力链的抗剪切强度的计算公式如下：

式中，μ为颗粒的最大静摩擦系数；

F_o为颗粒接触力，N；

E为材料弹性模量，GPa；

v为材料泊松比；

R为颗粒半径或等效半径，m。

当通过强力链平均抗剪切强度仍然难以优选出较好的用于堵漏配方的刚性颗粒材料时，还可以通过强力链占比来进行优选，强力链占比越大，则具有该材料的堵漏配方越优。强力链占比定义为：若颗粒体系中单个颗粒的接触力大于总体颗粒的平均接触力，则认为该颗粒处于强力链中，因此强力链占比的计算公式为：

式中，n为体系中接触力大于平均接触力的颗粒数量；

m为体系中颗粒的总数量。

为了使本领域技术人员能够更加充分地对本发明的技术方案进行了解，下面通过具体的实施例来对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

本实施例以几何参数中的颗粒形状为例，阐述本发明优化堵漏配方刚性颗粒材料的具体实施过程。

堵漏材料的形状是影响配方滞留、架桥及承压的关键因素。颗粒越圆堆积得越密集，封堵效果越好，但圆形颗粒在裂缝中滞留能力不强，容易从裂缝壁面滑脱导致封堵层失稳。颗粒有棱角更有利于在裂缝中滞留，但棱角处更容易产生应力集中，使得颗粒更容易破碎，从而导致封堵层失稳。

因此，如图1所示，现有的常见堵漏配方中的刚性材料一般是由圆形与其他形状（如椭圆、三角、矩形等）混合组成，且经过测定，本实施例，所采用的堵漏刚性颗粒材料中，非圆形形状的刚性材料的占比约为40%。其他形状中，何种形状的颗粒最有利于封堵层结构稳定是亟待解决的问题。本例将通过光弹实验的手段探究上述问题。

步骤（1），确定实验颗粒形状。实际使用的刚性堵漏材料，以近似圆形的颗粒为主，其间夹杂有棱角状（如三角形、矩形）和长条状（如椭圆形、矩形）颗粒（图1）。因此，实验样品设计为圆形、椭圆形（长短直径比2:1）、正三角形、正方形、矩形（长宽比2:1）颗粒，其等效半径一致，如图2所示。为保证实验结果能准确反映出颗粒形状对裂缝封堵层细观结构的影响，故使用聚碳酸酯作为光弹性材料，其杨氏模量、泊松比、摩擦系数等力学参数一致；制备的光弹材料等效半径相同，除形状外其他几何参数一致。各实验组不同形状颗粒加量为40%，另外60%的刚性堵漏颗粒的形状均为圆形。

步骤（2），构建力链网络。为尽可能还原真实裂缝封堵层，颗粒采用随机排列方式，其间加入等量且同种的弹性材料及纤维材料。加载方式与常见的垂直裂缝中封堵层受力方式相同。以其承受最大压力时的力链网络结构作为力链网络图。实验共分为5组，最终获得的力链网络光弹图像如图3所示，图3中，图3a为纯圆形组的力链网络图，图3b为40%椭圆形组的力链网络图，图3c为40%正三角形组的力链网络图，图3d为40%正方形组的力链网络图，图3e为40%矩形组的力链网络图。

步骤（3），力链特征参数的提取。提取不同实验组的强力链占比、强力链平均抗剪切强度和力链网络几何结构。

A、通过基于灰度图像的<G²>经验标定法可计算出每个颗粒的受力，由此可计算加入不同形状颗粒后强力链占比的变化，最终结果如表1所示，从表1中可以看出，40%矩形组的强力链占比更高。

表1 不同实验组的强力链占比

B、由于材料均为同种光弹材料，故颗粒摩擦系数、弹性模量、泊松比均相同，为摩擦系数μ=0.6、弹性模量E=2.4GPa、泊松比v=0.36，实验制备的颗粒样品等效直径相同，为5mm。因为每组实验存在不止一条强力链，因此计算所有强力链的算术平均值进行组间比较，结果如表2所示。

表2 不同实验组的强力链强力链平均抗剪切强度

从表2可知，矩形组的强力链平均抗剪切强度更高。

C、将图像通过软件处理，仅留下起接触力大于平均值的颗粒，可获取强力链网络形态图像，最终结果如图4所示，图4中，图4a为纯圆形组的力链网络形态图，图4b为40%椭圆形组的力链网络形态图，图4c为40%正三角形组的力链网络形态图，图4d为40%正方形组的力链网络形态图，图4e为40%矩形组的力链网络形态图。

步骤（4），堵漏配方优化设计。观察图4可发现，无论是剪切方向强力链数量还是形成的力链环数量，矩形组都是最多的。因此可以认为，加入矩形颗粒的堵漏配方效果最好。

为验证本方法结果是否准确，发明人以配方“原浆+2.0%LCC100-8+1.4%DF-NIN+0.2%TP-2”为例进行实验。此配方中，LCC100-8为不规则刚性颗粒材料（图1），DF-MIN为矿物纤维，TP-2为植物纤维。发明人将LCC100-8材料进行分选，得到了纯圆形组（参照组），以及占比为40%的椭圆形组、正三角形组、正方形组和矩形组配方，结果如表3所示。

表3 不同占比矩形堵漏材料配方的堵漏承压实验

通过表3可知，添加有40%矩形刚性颗粒材料的堵漏层，其具有最大的承压能力，同时具有较低的漏失量，说明该配方形成的堵漏层具有良好的封堵效果，进一步验证了本实施例的方法的准确性，说明本实施例的方法能够对堵漏配方进行优化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于力链结构参数的堵漏颗粒材料优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取材料的封堵层力链网络：根据颗粒材料的几何参数、力学参数以及配比，通过室内实验或计算机模拟获取封堵层的力链网络；

提取力链网络特征参数：所述力链网络特征参数包括：力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比，所述力链网络结构包括环状力链网络和链状力链网络；

根据力链网络特征参数优选颗粒材料：依次按照力链网络结构的数量、强力链平均抗剪切强度、强力链占比的优先度对刚性颗粒材料进行优选，其中，所述力链网络结构的数量中，所述环状力链网络的优先度高于所述链状力链网络的优先度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述几何参数包括粒度、圆球度、形状，所述力学参数包括滑动摩擦系数、滚动摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述室内实验为光弹性实验，所述计算机模拟为CFD-DEM模拟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述力链网络结构的数量越多，则该刚性颗粒材料越好。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强力链平均抗剪切强度为所有强力链抗剪切强度的算数平均值，所述强力链平均抗剪切强度越大，则该刚性颗粒材料越好，所述强力链抗剪切强度的计算公式为：

式中，μ为颗粒的最大静摩擦系数；

F _o 为颗粒接触力，N；

E为材料弹性模量，GPa；

v为材料泊松比；

R为颗粒半径或等效半径，m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强力链占比越大，则该刚性颗粒材料越好，所述强力链占比计算公式为：

式中，n为体系中接触力大于平均值的颗粒数量；

m为体系中颗粒总数。

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