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SPE-223088-PA

应用于水泥裂缝封堵的窄流道纳米二氧化硅溶液的实验与理论研究

ExperimentalandTheoreticalStudiesof

Nano-SilicaSolutionsinNarrowFlowPaths

AppliedtoSealingCementCracks

作者：MdNahinMahmood1*，VuV.Nguyen1，BoyunGuo1

1路易斯安那大学拉斐特分校石油工程系

摘要:水泥裂缝是油气井故障的典型原因。裂缝会削弱水泥，降低层间隔离效果并导致流体渗流。目前纳米颗粒（NP）凝胶正测试用于裂缝处理。当被压入裂缝时，纳米颗粒溶液的流动行为能够被预测。利用纳米颗粒凝胶作为裂缝补救措施的潜在功效目前正在研究中。如果能够确定纳米颗粒溶液在被压入裂缝时的流动行为，那将是非常有利的。本文主旨在于分析纳米二氧化硅溶液在具有矩形横截面和不同裂缝尺寸的管道中流动时的行为。将纳米颗粒溶液引入岩心会导致压力下降，这表明纳米二氧化硅已有效地通过裂缝传输。随着裂缝尺寸的减小，压降相应增加，而流速则同时增加。本研究给出了一系列裂缝宽度、高度和流速下压力梯度对流体浓度的影响。基于流速和压力梯度之间的线性相关性来预测管道中的层流。此外，降低的压力梯度表明由于缝隙宽度增大，裂缝内的流体流动增强。Guo等人（2022）提出的流体流动模型被用于与实验数据进行对比分析。与测试数据相比，该模型的差异约为90%。流动模型与观测数据差异的技术原因尚不清楚。流动模型没有考虑粗糙管道中纳米颗粒与纳米颗粒之间以及纳米颗粒与壁面之间的摩擦。已经发现了一个经验关系式，该关系式将该比率量化为纳米二氧化硅溶液流速、横截面几何参数和纳米二氧化硅浓度的函数。该关系式是使用非线性回归计算得出的。经验关系与实际比率具有显著的相关性，如R2=0.8965所示。在实际应用中，Guo等人（2022）的水力模型的压降应乘以经验关系式的比率，以减少误差。

引言

最近，含有纳米颗粒的溶液在油气领域被确定为一种可行的替代方案。纳米颗粒的输送已在不同场景下进行了实验，例如提高钻井和完井液的质量，以及在提高采收率过程中调节波及效率。在油井封堵水泥混凝土等建筑材料中自然产生的裂缝和裂隙下，关于纳米颗粒在这些缝隙中的移动存在疑问。纳米颗粒的精确位置意味着它们对密封机制有效性的影响。纳米颗粒受到各种物理力的驱动进入裂缝，如重力、毛细管力和粘性力。

许多研究人员研究了纳米颗粒对钻井和完井液功效以及提高采收率波及操作的影响。一些研究人员，如Tufenkji和Elimelech（2004）、Li等人（2008）、Wang等人（2012）、Becker等人（2015）、Bianco等人（2016）和Zhang等人（2016），广泛研究了纳米颗粒在多孔表面的输送。通过使用胶体过滤理论可以预测球形颗粒的轨迹，并且也研究了纳米颗粒在多孔介质中的颗粒输送机制和胶体过滤理论模型的使用（Rajagopalan和Tien1976；Molnar等人2015）。

Khalil等人（2017）最近发表了一篇学术文章，讨论了纳米颗粒应用的设计和挑战。Babakhani等人（2017）对基于连续介质的纳米颗粒在饱和多孔介质中输送的模型和概念进行了全面分析。Mohamadian等人（2018）的实验结果涉及添加纳米颗粒和各种添加剂的钻井液的流变和过滤特性。Yekeen等人（2019）对纳米颗粒在非常规储层水力压裂过程中的潜在用途进行了全面的文献综述。Gu等人（2020）观察到在低渗透储层中减阻纳米颗粒的剪切增稠效应的表现。已经设计了几个连续介质模型以对应不同的颗粒输送路径，以符合实验数据。虽然三维建模工具可能更可取，但值得注意的是，大多数基于连续介质的模型仅使用一维柱数据进行构建和验证（Babakhani等人2017；Velimirovic等人2020）。最近，科研人员广泛研究了使用纳米颗粒来堵塞井筒水泥环中的流动通道和裂缝，如多项研究所示（Olayiwola等人2022a，2022b；Guo等人2022；Nguyen等人2022）。

Cai等人（2018）引入了一个半解析框架，将球形颗粒的重力沉降纳入其通过裂缝的水力输送中。Cai等人（2021）使用该模型复制了颗粒在原生裂缝中的运动和排列。Guo等人（2022）指出，由于裂缝之间的空间距离较大，毛细管力现象被忽略。

纳米颗粒与裂缝表面、流体界面和其他颗粒的静电相互作用对其运动有显著影响（Babakhani等人2017）。与常规流体不同，纳米颗粒与流体之间的密度差异可能导致由于重力和惯性分离而产生相分离，如Lyon-Marion等人（2017）所报道。纳米颗粒表现出的独特滑移机制导致与常规流体相比具有不同的流体行为，这给