能量守恒原理與井壁穩(wěn)定分析

能量守恒原理與井壁穩(wěn)定分析

傳統(tǒng)的應(yīng)力適應(yīng)分析表明了許多井壁的不穩(wěn)定性問題，但許多問題尚未解決。巖石損害分析相對保守。因為巖石破裂不一定導(dǎo)致井壁失去穩(wěn)定性。巖石也在邊界破壞點之前，即使巖石受損，井壁也會穩(wěn)定，然后開始失去穩(wěn)定性。本文從能量守恒角度出發(fā)分析了井壁穩(wěn)定。其基本觀點是當(dāng)巖石內(nèi)部能量儲存到無法承受時,巖石內(nèi)部微裂縫便會擴展以釋放能量。巖石破壞是在介質(zhì)內(nèi)部能量積累超出臨界極限時產(chǎn)生裂縫,內(nèi)能通過生成微裂縫并相互作用導(dǎo)致裂縫擴展轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺堋ｃ@井過程中能量的積累是由鉆柱振動、井壁形變、鉆井液與巖石的溫差、物理化學(xué)作用以及巖石疲勞破壞引起的。裂縫擴展后流體的迅速滲入可能是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的另一主要原因。因此,使用封堵型鉆井液能夠有效減少井壁失穩(wěn)。1其它能量對巖石石能的影響如果巖石承受的應(yīng)力超過其強度、變形太大或內(nèi)部能量積累超過其承受極限都會造成斷裂(井壁失穩(wěn)),Santos等,根據(jù)能量守恒定律提出了井壁穩(wěn)定性能量理論模型。巖石表面裂紋的產(chǎn)生是內(nèi)能釋放的結(jié)果。所有與鉆井過程有關(guān)的能量變化都應(yīng)考慮其對能量平衡的貢獻,其它形式的能量也能增加或減少巖石的內(nèi)能,如熱能、巖石的化學(xué)變化與變形等。鉆井液壓力波動和鉆柱振動引起的交變載荷也常常會增加巖石介質(zhì)內(nèi)能的積累,井壁的內(nèi)能變化為:△U=Em+Es+Et+Ec?Ef(1)△U=Em+Es+Et+Ec-Ef(1)式中,Em、Es、Et和Ec分別為機械能、應(yīng)變能、熱能和化學(xué)能;Ef為裂縫表面能,其表達式為:Ef=γFs(2)Ef=γFs(2)其中,γ為單位面積表面能;Fs為新增裂紋表面積。根據(jù)方程(1),巖石內(nèi)能變化取決于5種能量形式,若內(nèi)能增加累積達一定值后,便通過一些釋放機理來降低,其主要形式便是裂紋。盡管目前還不能確定各種能量形式對井壁穩(wěn)定的貢獻,但它們對巖石的影響機理、簡單定量關(guān)系可做以下分析。1.1橫向運動時間和加速度鉆柱的振動屬于機械能,它主要是由鉆柱橫向振動引起的,對井壁巖石產(chǎn)生疲勞破壞,但在巖石常規(guī)的破壞分析中很少用到。實際上,巖石內(nèi)部Griffish裂縫比金屬中的更多、更大,花崗巖疲勞破壞實驗表明,交變載荷足以使巖石破裂。鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)生橫向擺動,與井壁巖石發(fā)生碰撞,每次碰撞都會使井壁內(nèi)能增加,重要的不是每個周期的最大最小載荷之差,而是作用于巖石上的平均應(yīng)力水平,是決定巖石是否破裂和何時破裂的重要因素。已知鉆柱的最大可能位移(環(huán)空),可求得鉆柱橫向運動時間t為t=2d/a????√(3)t=2d/a(3)式中,d為鉆柱最大位移;a為鉆柱加速度。有些鉆柱振動模型直接給出了鉆柱側(cè)向運動的加速度。那么鉆柱的運動速度v可由加速度積分求得:v=∫t0at(4)v=∫0tat(4)則其動能形式可表示為K=0.5mv2(5)Κ=0.5mv2(5)鉆柱橫向加速度可由井下傳感器測得,平穩(wěn)鉆進條件下大約為20g～30g(g=9.81m/s2),但也見有80g～150g的報道。設(shè)鉆鋌外徑為203.2mm,鉆頭直徑為311.15mm,則鉆鋌與井壁相距約50.8mm,加速度為80g,鉆鋌線重為2190N/m,鉆鋌與井壁線性接觸,則鉆柱與井壁每撞擊一次,井壁巖石內(nèi)能可增加2.7kJ。可見,當(dāng)鉆柱橫向位移足夠大時,碰撞會引起巖石內(nèi)能的顯著增加。1.2平面應(yīng)變假設(shè)條件在原地應(yīng)力各向異性時,鉆井液壓力代替原地應(yīng)力引起井壁各向變形不同,這種情況下,某一井段可能向內(nèi)變形而另一井段則可能不變形或向外變形,在平面應(yīng)變假設(shè)條件下所有應(yīng)變均可認為是沿徑向的。據(jù)此,應(yīng)變能對巖石形變的貢獻為:Es=0.5σε(6)Es=0.5σε(6)因此,一個簡單的三軸實驗就可給出確定應(yīng)變能需要的全部參數(shù),相應(yīng)的應(yīng)變也可由簡單的應(yīng)力應(yīng)變模型進行數(shù)值計算得出。1.3地層溫度對于巖石熱傳導(dǎo)率的影響1992年,Somerton給出了一些半導(dǎo)體巖石的熱容和熱傳導(dǎo)特性,其中,泥頁巖熱容的特征值為0.912J/(g·K)。因為巖石熱傳導(dǎo)率相當(dāng)小,所以溫度的作用僅僅在井壁周圍。假設(shè)巖石溫度升高20℃,則內(nèi)能增加18.24J/g。室內(nèi)實驗表明,圍壓不變時巖石的強度與溫度成反比,即溫度升高,熱能增加,破壞時的最大載荷和應(yīng)變能減小,這也是能量法分析井壁失穩(wěn)的根據(jù)。1.4dsc測定鉆井液與巖石作用的化學(xué)能,可通過熱量計(DSC)測定。將某泥頁巖浸沒于308℃、濃度為24%(w/w)的NaCl溶液中24h,其化學(xué)能改變量為120.2J/g。1.5石與鉆頭相互作用沿井壁取1cm3立方體單元,研究產(chǎn)生裂縫時總能量平衡,假設(shè)泥頁巖密度為2.5g/cm3,則立方單元體質(zhì)量為2.5g,不同形式能量在總能量平衡中的作用關(guān)系見表1。巖石與鉆頭相互作用是鉆柱振動的振源之一,PDC鉆頭代替牙輪鉆頭可以有效地減小鉆柱振動,有利于井壁穩(wěn)定,這在油田鉆井過程中已得到證實?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明,井壁失穩(wěn)通常發(fā)生在鉆開一段時間后的裸眼井段,且井壁一旦失穩(wěn)便很難控制。從能量觀點來看,開始時鉆井液溫度低于巖石溫度,內(nèi)能降低,隨井深增加從深部地層返上來的鉆井液溫度比上部裸眼井段溫度高時,巖石內(nèi)能增加,一定時間后開始失穩(wěn),標志著巖石內(nèi)能積累達到了極限,通常解決該問題所用的方法有短劃眼、循環(huán)、擴孔等,這些都會由于交變載荷的影響使巖石內(nèi)能增加,造成井眼進一步擴大。2縫擴展不含聚合物的地層水基鉆井液一些文章指出泥頁巖膨脹不是井壁失穩(wěn)的主要機理,主要是因為鉆柱振動、巖石與鉆井液間的物理化學(xué)作用、溫度變化等造成井眼附近能量過高或應(yīng)力過大產(chǎn)生了裂縫帶,而天然裂縫的存在使井壁失穩(wěn)進一步擴大。鉆井液入侵可以加速裂縫擴展,失去對井壁的支撐作用,最好的方法是使用封堵型鉆井液,如硅基鉆井液,熱活性聚合物添加劑也可以降低水基鉆井液的滲透特性。使用封堵型鉆井液成功解決井壁失穩(wěn)問題的現(xiàn)場實例很多,尤其是在活性泥頁巖井段的使用更加成功,同時也證明了井壁失穩(wěn)的主要原因不只是鉆井液/巖石相互作用的結(jié)果。封堵型鉆井液的缺點是在多數(shù)情況下有嚴重副作用,如硅基鉆井液會嚴重損害地層,降低油藏生產(chǎn)能力,硬瀝青影響地層測試等。目前最好的辦法是使用可溶性聚合物的混合物,既能有效減少濾失又不造成地層損害,對環(huán)境也比較安全。另外,一些油田還用降低鉆井液溫度法減小鉆井液/巖石間溫差,提高井壁穩(wěn)定性;減少起下鉆壓力激動和抽吸造成的壓力波動等也是保持井壁穩(wěn)定的重要因素。3定量化確定常用的能量形式1.基于能量守恒觀點提出了一種分析井壁穩(wěn)定的新方法。2.給出了鉆井過程中鉆柱振動、鉆井液/地層