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(wèn)題，但許多問(wèn)題尚未解決。巖石損害分析相對(duì)保守。因?yàn)閹r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(diǎn)之前，即使巖石受損，井壁也會(huì)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(diǎn)是當(dāng)巖石內(nèi)部能量?jī)?chǔ)存到無(wú)法承受時(shí),巖石內(nèi)部微裂縫便會(huì)擴(kuò)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(shí)產(chǎn)生裂縫,內(nèi)能通過(guò)生成微裂縫并相互作用導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺?。鉆井過(guò)程中能量的積累是由鉆柱振動(dòng)、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(kuò)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(duì)巖石石能的影響如果巖石承受的應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度、變形太大或內(nèi)部能量積累超過(guò)其承受極限都會(huì)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(guò)程有關(guān)的能量變化都應(yīng)考慮其對(duì)能量平衡的貢獻(xiàn),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(dòng)和鉆柱振動(dòng)引起的交變載荷也常常會(huì)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(jī)械能、應(yīng)變能、熱能和化學(xué)能;Ef為裂縫表面能,其表達(dá)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(dá)一定值后,便通過(guò)一些釋放機(jī)理來(lái)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(duì)井壁穩(wěn)定的貢獻(xiàn),但它們對(duì)巖石的影響機(jī)理、簡(jiǎn)單定量關(guān)系可做以下分析。1.1橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)間和加速度鉆柱的振動(dòng)屬于機(jī)械能,它主要是由鉆柱橫向振動(dòng)引起的,對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)表明,交變載荷足以使巖石破裂。鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生橫向擺動(dòng),與井壁巖石發(fā)生碰撞,每次碰撞都會(huì)使井壁內(nèi)能增加,重要的不是每個(gè)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(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)模型直接給出了鉆柱側(cè)向運(yùn)動(dòng)的加速度。那么鉆柱的運(yùn)動(dòng)速度v可由加速度積分求得:v=∫t0at(4)v=∫0tat(4)則其動(dòng)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(cè)得,平穩(wěn)鉆進(jìn)條件下大約為20g～30g(g=9.81m/s2),但也見有80g～150g的報(bào)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?？梢?當(dāng)鉆柱橫向位移足夠大時(shí),碰撞會(huì)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(shí),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(rèn)為是沿徑向的。據(jù)此,應(yīng)變能對(duì)巖石形變的貢獻(xiàn)為:Es=0.5σε(6)Es=0.5σε(6)因此,一個(gè)簡(jiǎn)單的三軸實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的應(yīng)力應(yīng)變模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得出。1.3地層溫度對(duì)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(yè)巖熱容的特征值為0.912J/(g·K)。因?yàn)閹r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(shí)驗(yàn)表明,圍壓不變時(shí)巖石的強(qiáng)度與溫度成反比,即溫度升高,熱能增加,破壞時(shí)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(cè)定鉆井液與巖石作用的化學(xué)能,可通過(guò)熱量計(jì)(DSC)測(cè)定。將某泥頁(yè)巖浸沒(méi)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(shí)總能量平衡,假設(shè)泥頁(yè)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(dòng)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(dòng),有利于井壁穩(wěn)定,這在油田鉆井過(guò)程中已得到證實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,井壁失穩(wěn)通常發(fā)生在鉆開一段時(shí)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(diǎn)來(lái)看,開始時(shí)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(lái)的鉆井液溫度比上部裸眼井段溫度高時(shí),巖石內(nèi)能增加,一定時(shí)間后開始失穩(wěn),標(biāo)志著巖石內(nèi)能積累達(dá)到了極限,通常解決該問(wèn)題所用的方法有短劃眼、循環(huán)、擴(kuò)孔等,這些都會(huì)由于交變載荷的影響使巖石內(nèi)能增加,造成井眼進(jìn)一步擴(kuò)大。2縫擴(kuò)展不含聚合物的地層水基鉆井液一些文章指出泥頁(yè)巖膨脹不是井壁失穩(wěn)的主要機(jī)理,主要是因?yàn)殂@柱振動(dòng)、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(guò)高或應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生了裂縫帶,而天然裂縫的存在使井壁失穩(wěn)進(jìn)一步擴(kuò)大。鉆井液入侵可以加速裂縫擴(kuò)展,失去對(duì)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(wèn)題的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例很多,尤其是在活性泥頁(yè)巖井段的使用更加成功,同時(shí)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(diǎn)是在多數(shù)情況下有嚴(yán)重副作用,如硅基鉆井液會(huì)嚴(yán)重?fù)p害地層,降低油藏生產(chǎn)能力,硬瀝青影響地層測(cè)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(duì)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(dòng)和抽吸造成的壓力波動(dòng)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(diǎn)提出了一種分析井壁穩(wěn)定的新方法。2.給出了鉆井過(guò)程中鉆柱振動(dòng)、鉆井液/地層