页岩层钻进水侵井壁失稳问题一直是困扰油气钻完井的世界性难题,每年给世界石油工业造成了巨大的经济损失。采用纳微米颗粒封堵页岩孔隙,是阻止钻井液侵入页岩进而维持井壁稳定的有效措施之一。目前对于封堵颗粒大小及配比的选取,多基于经验规则,缺乏理论依据;对于纳米颗粒封堵页岩规律的研究,多采用室内实验的方法,主要反映颗粒封堵的宏观效果,不能有效揭示微观封堵机制,且可重复性差,成本较高,高密封性难以保证。因此,开展新的颗粒封堵理论(规则)研究,建立一种新的纳米颗粒封堵页岩孔喉仿真方法,研究颗粒微观封堵机制及宏观封堵规律,对于形成高效性颗粒封堵、降低水侵稳定井壁及油气资源的高效开发具有重要意义。基于颗粒封堵页岩孔喉问题本质,引入离散元方法,建立了一种新的纳米封堵颗粒碰撞接触模型,描述了封堵颗粒运移、沉积、堵塞过程中的运动状态,提出颗粒堵卡孔喉准则,并构建了颗粒封堵效果评价体系,形成了一种新的纳米颗粒封堵页岩孔喉仿真模拟方法。并依据四种颗粒封堵规则,进行了单一粒径颗粒封堵页岩孔喉仿真模拟,结果表明,模拟结果与前期研究结果相符,验证了仿真方法的可行性和有效性。基于对颗粒堆积粒-孔基本关系的分析,建立了卡堵颗粒粒径与孔径匹配关系模型;采用数值模拟方法,通过分析不同粒孔比(颗粒直径与孔径比值)、不同颗粒浓度条件下颗粒架桥堵塞规律,得到了架桥颗粒粒径与孔径匹配关系模型;依据颗粒理想充填理论,形成了充填颗粒级配规则。并针对孔喉尺寸的非均质性,分别提出了卡堵-充填颗粒分段封堵设计规则和架桥-充填颗粒分段封堵设计规则。根据所提出的卡堵-充填颗粒分段封堵规则和架桥-充填颗粒分段封堵规则,对封堵颗粒进行级配设计,并基于所建立的纳米颗粒封堵页岩孔喉仿真模拟方法,对不同体积浓度的卡堵-充填颗粒和架桥-充填颗粒封堵页岩孔喉规律进行了模拟研究。研究结果表明:随着颗粒浓度的增加,封堵颗粒快速对页岩孔喉形成有效封堵的可能性也随之增加;当颗粒浓度大于9%时,卡堵-充填颗粒和架桥-充填颗粒均可以在页岩壁面形成有效封堵;颗粒有效封堵层一旦形成,其孔隙度及渗透率基本维持恒定。