文摘

thermo-hydro-mechanical耦合过程,本文得出一组分析porothermoelastic解决字段变量包括压力、位移和孔隙压力字段来评估一个垂直钻孔周围的井筒稳定性通过各向同性多孔岩石钻孔。的热影响井筒稳定性低渗透性饱和岩石也介绍了热渗透。井筒问题分解为轴对称和偏加载情况下考虑钻孔nonhydrostatic应力场。它获得字段变量的时间分布进行反演技术对porothermoelastic拉普拉斯变换在拉普拉斯域的解决方案。结果表明,热渗透效应不应被忽视的前提,低渗透多孔岩石的特点是大大大热渗透系数和小的热扩散系数的值。的热渗透效应降低了排水系统的负载效应导致的减少意味着剪切应力是由有效的最大和最小压力在一个钻孔,因为,因此导致井筒稳定抵抗剪切破坏。

1。介绍

当深水和非常规油气资源钻探在高温和高压(高温高压)块,钻探钻孔经历大量钻井泥浆和地层流体之间的温差。耦合thermo-hydraulic-mechanical (THM)流体多孔介质的影响不可避免的涉及时间井筒不稳定的问题,由于热负荷逐渐重建井筒周围的诱导应力和孔隙压力(1- - - - - -23]。此外,与不排水加载相关的多孔弹性效应(24,25)也会导致场变量的改造瞬间钻探钻孔后,尤其是对低渗透性多孔介质。

Detournay和程24)采用字段变量包括位移、压力、孔隙压力钻孔周围讨论流体力学的耦合效应。三种不同的模式被用来获取字段变量的完整的解决方案。模式1是一个经典的弹性和不相关的耦合问题。模式2的内容是纯径向压力(或轴对称)钻孔周围扩散,是由于部分耦合过程。这意味着孔隙压力诱导应力和位移的发生而不发生相反的过程。模式3是一个完全耦合的过程。孔隙压力扰动导致诱导应力和固体位移;因此,压力扰动也引起孔隙压力组合政权在井壁附近由于排水系统的负荷。不排水加载产生的超孔隙压力的发生为低渗透性多孔岩石。这是由于孔隙流体是不允许有足够的时间逃离当前固体孔隙,孔隙空间分隔的不排水加载时迅速应用于多孔岩石。 The pore fluid naturally suffers the undrained loading effect and causes an excess pore pressure to generate in the pore-space. It refers the excess pore pressure case to as an undrained state subjected by the low-permeability porous rock. This phenomenon exactly explains the poroelastic effect to embody the coupled solid deformation and fluid flow in the porous medium.

THM耦合引入的热效应过程体现在径向扩散问题,导致孔隙压力和井筒周围的压力。也就是说,仅热效应出现在开发模式2,不同于上述研究Detournay和程24),使孔隙压力扩散取决于温度变化(1- - - - - -23]。此外,热渗透效果进行实验观察到(26- - - - - -31日]或讨论研究[6- - - - - -8,19- - - - - -23]。

热渗透效应的贡献占温度梯度的流体通量对预期的温度梯度,成为重要的废物处置的粘土壁垒与极低的渗透系数(10^-10年和10^-14年m / s) [6,29日]。热渗透作用类似于俗效应导致化学在化学溶液通量与温度梯度成比例(2]。此外,间接热渗透流显著可能导致传质诱导semi-impermeable粘土相比直接Darcian流(28]。研究[19- - - - - -23]进一步支持Ghassemi的角度和Diek [8]。即一个案件与一个大大大thermoosmotic系数和较大的温度梯度显著促进热渗透效果修改一个井眼附近的孔隙压力的变化。正面和负面的热渗透系数值可能是在岩石(26]。在的情况下 ,渗透流方向从温暖到冷却器,在的情况下 ,流从冷到暖(31日]。然而,实验室测试的流在两个方向上都是使用压实黏土[27]。热渗透系数的绝对值范围从10⁻¹⁴到10⁻¹⁰米²/ (s·K)为不同的多孔介质(30.]。

一些相关的研究(2,6,7,9,10,15,16)忽略了非线性对流换热词夫妇与孔隙压力温度,获得工程分析linear-porothermoelastic解决方案。但是,这部分解耦操作仅适用于低渗透性岩石(9]。除此之外,上述porothermoelastic解析解忽略热渗透效应(3- - - - - -5,10- - - - - -16]。

摘要新制定的耦合porothermoelastic解决方案与热渗透一个垂直钻孔nonhydrostatic应力场。因此,本文的结果可以提供理论指导钻井期间有效地处理复杂的问题通过低渗透、低孔隙度的形成。

2。通用配方

目前的控制方程模型介绍如下。

2.1。本构方程

介绍了热效应的工作Detournay和程32)或延长齐默尔曼的研究(33),本构方程(1)和(2)采取以下形式准确地显示各向同性时的耦合thermo-hydro-mechanical行为流体饱和多孔介质变形处于弹性状态。此外,本构方程(1)和(2)是写成,积极的压力表示压缩符合岩石力学大会。

上述方程包括总应力张量 ,孔隙压力 ,温度变化 ,坚固的岩石的应变张量 ,体积应变 ,单位参考卷和流体的变化内容 。材料常数包括排水的泊松比 ,岩石剪切模量 ,和瘸子常数定义为 。 克罗内克符号。此外,毕奥系数和模量写如下: 岩石体积弹性模量在哪里被定义为 。 和固体颗粒和液体的体积弹性模量,分别。是岩石内部孔隙度。

热系数与固体骨架和固液读如下(11]: 的符号和是固体矩阵的线性膨胀系数和流体体积膨胀系数,分别。

2.2。场方程

在无限长钻孔和常数边界条件沿井轴方向,流体和热通量组件都将消失在井眼轴线的方向(11]。与方程(2)和热渗透术语考虑到流体通量(8],扩展性弱压缩流体扩散方程和热流体读取如下: 的渗透系数表示为 在这内在渗透率张量和吗流体的粘滞性。表示热渗透系数。线性微分算子写如下:

提供瞬时局部温度平衡的假设成立,热扩散场方程的小王和Papamichos4]: 在哪里和 ,分别表示总质量密度和比热容,和是多孔岩石的导热系数。它认为,应变和孔隙压力的影响温度通常被忽略(23,33考虑应变和耦合参数与更小的值。高et al。19)得出结论,热过滤效应取决于压力梯度方程(6)有一个弱影响温度扩散,这样它也忽略了。

3所示。井眼问题描述和解决方案

3.1。井眼问题描述

一个圆形垂直井眼钻在多孔岩层受到nonhydrostatic原位水平应力场;参见图1。假设一个原位的三个主应力平行钻孔轴,和- - - - - -和- - - - - -原位轴对应于其他两个方向的主要压力。

由此可见,总压力作用于一个圆形边界是由以下: 与平均应力和剪切应力分别定义的 和 ,的符号和 ,分别是最大和最小水平地应力。

广义平面应变假设推断可能是合适的解决方案在二维情况下一般三维一,假设地质力学特征是几何图形的边界条件常数沿方向无限长钻孔轴(11]。符合装运Abousleiman提出的分解方案和崔34),这个问题分解成两个独立的子问题解决,自反平面剪切应力消失在一个垂直钻孔。两个子问题包括改性多孔弹性平面应变问题(问题)和一个弹性unaxial问题(问题2)。最后,考虑线性问题的叠加原理,得到完整的解决方案。

3.2。解改性多孔弹性平面染色问题

压力边界条件包括组件、孔隙压力和温度作用在井壁后即时钻井问题被描述为: 在哪里井筒压力。和 ,分别是井筒流体温度和地层温度。

此外,两个独立的边界条件在井壁的加载模式可以定义如下,分别。(我)轴对称加载: (2)偏载荷:

这个问题的边界条件施加在远场,也就是说, ,表示如下:

引入的旋转位移场 ,平衡方程( , )写的体积应变( ),流体的变化内容 ,和温度 : 在哪里和 ,分别定义如下:

此外,流体的扩散方程的变化内容被编写为另一种形式,通过结合方程(2)和(5)与转换方程(13)和(14)。 在哪里

方程的边界条件(10))((10 b))((10 c),(10 d))((11个))((11 b),(11 c)建议的依赖性位移,应力、孔隙压力和温度的极角可以寻求具有以下形式(35]: 与 对于轴对称加载和 偏荷载。 , , , , , , , , ,和是时间的函数和径向距离只有。此外,符号“~”表示的拉普拉斯积分变换对并被定义为以下: 在哪里拉普拉斯变换是一个参数。

3.2.1之上。轴对称加载解决方案

(1)温度的解决方案。轴对称热载荷作用下,方程(8)由以下解决拉普拉斯转换形式的初始和边界条件: 因此读取如下: 在哪里 是修改后的第二类贝塞尔函数的秩序””。

(2)解决方案孔隙压力,径向位移和应力。考虑到方程(2),一个简化的解耦合的孔隙压力扩散表达式可以写成方程(24)当假设位移场无旋在半无限域包含以下: 在这

方程(24)可能是解决拉普拉斯转换的初始和边界条件如下: 因此,孔隙压力的解决方案在拉普拉斯域读取轴对称载荷作用下 在哪里

一个结合方程(1)和方程(15),并考虑了拉普拉斯转换边界条件(方程(10),因此,对轴对称径向位移和应力加载给出如下: 在哪里

3.2.2。解决方案孔隙压力、应力和位移偏载荷作用下

考虑到转换方程(18),方程(13),(14)和(17相关条款),而忽略热效应导致以下方程在拉普拉斯变换域: 在这 。与此同时,方程(15)和(16)可以退化非齐次线性微分方程的一组订单2对常系数。

指出解决方案关于方程(31个),(31 b)和(31度)- (33)应保持有界消失 , , ,和在无限边界。

经过一些处理,解决位移组件、孔隙压力和压力偏加载可能推导出方程(31个),(31 b)和(31度)- (33),同时考虑到拉普拉斯转换边界条件方程(11个)- (11 c)。 在哪里 与 , ,和

当定义的剪切应变与位移之间的关系 和 被采用,它可以观察到磁场方程中的变量(29日一))((29个b))((29度))((34一个))((34 b))((34 c))((34 d))((34 e),(34 f在方程())和引入过渡变量35一个),(35 b),(35度),(35 d)和(35 e)共享相同的基本表达式,不包括负号的表情出现在孔隙压力相比,一个在研究Detournay和程22]。后者规定张力是正的。也就是说,崔的方法等。36处理整个变量有负号(相应的公式37是不合适的。

压力组件在时域的就可以完成数值算法与反演技术Stehfest[提供的拉普拉斯变换38),已在石油工程广泛采用。

因此,在平面应变条件下轴向压力读取

3.3。解决弹性单轴应力问题

这个问题是纯粹的弹性,没有时间生成孔隙压力和压力(35),因此,解决方案是只与轴向应力和读取如下:

最终完整的porothermoelastic解压力,孔隙压力和温度在加压垂直井眼条件是获得积极的压力表示压缩

4所示。数值结果和讨论

输入参数的建模结果列在表中1。分配泥浆之间的温差和形成来 (加热)和 分别(冷却)。

4.1。敏感性分析

本节进行灵敏度分析的显著影响因素包括热渗透系数 ,热扩散率 ,和渗透系数引起的孔隙压力。

数据2和3显示引起孔隙压力分布porothermoelastic渗透溶液,porothermoelastic和纯粹的多孔弹性模型发生在10⁴的一天。

不排水抗负载效应反映了短期行为的低渗透性岩石和偏应力引起的(24,25]。纯粹的多孔弹性模型(24)(见图3 (c)),排水系统的负载效应会增加井筒附近的地区孔隙压力墙。

从图所示2(一个),符合普通porothermoelastic (THM)模型(11),加热井筒生成增加孔隙压力在井壁附近的地区为更小的时间间隔 ,由于热膨胀的液体是高于固体骨架,但岩石的渗透率极低限制了超孔隙压力立即消散。然而,目前的结果表明,加热(负温度梯度 )并不总是进一步保证孔隙压力积累。降低孔隙压力与porothermoelastic渗透(THMO)解决方案是归因于不排水抗负载效应的弱化现象的热渗透作用。这削弱的现象发生,热渗透系数明显大,的迹象和温度梯度例如,分享相反的形式 和 。这个特殊情况产生的回流液体退出甚至极其脱水形成岩石(8]。自然,低孔隙压力增加的有效应力,然后增加了岩石强度对失败,因此更好的条件稳定井筒的高潮。

加剧的情况(见图2 (b)冷却)规定相同的迹象(正温度梯度 )和显著的大热渗透系数 。加剧的情况下会导致钻井液水泥浆流入形成。与这相关的孔隙压力的增加加剧情况下减少有效应力,从而降低岩石强度的失败。它恶化井筒稳定性。前面的调查员,即。,Ghassemi Diek [8),同样证实类似观点,热渗透效应提高或降低化学渗透效果依赖于热渗透系数和温度梯度之间的信号,和热渗透系数的大小。除此之外,在一个相当小的热渗透系数、孔隙压力诱导分享近似地THMO模型与三卤甲烷相比一个相同的意义。因此,它适合忽略热渗透的效果。

规定相同的热渗透系数时,热渗透效应提高排水系统的负载效应是更重要的岩石特征的热扩散系数的值较小(见图2 (c))。同时,大的值的情况下的热扩散率和较低的热渗透系数会进一步减少不排水抗负载效应和孔隙压力下降。此外,热渗透效应与热渗透系数更大更容易承担的作用提高排水系统的负载效应,当规定相同的热扩散率。

与THMO模型考虑到冷却效果,总孔隙压力,提出了图3(一个)等于原始地层孔隙压力的叠加和轴对称加载效应(见图3 (b))和偏加载(见图3 (c))。热渗透影响孔隙压力降低的更大的渗透系数 。相反,低渗透系数的大小的情况下加强热渗透效应产生更多不同的回流现象,所以不排水加载效果降低,因此孔隙压力下降。

4.2。时间依赖性的诱导孔隙压力和有效的总压力

图4评估引起的孔隙压力和有效应力的概要文件在不同时候THMO模型和三卤甲烷情况冷却和纯粹的多孔弹性的检查。

图4描述了引起孔隙压力和有效的总压力包括径向和切向配置文件(porothermoelastic渗透的解决方案, ;porothermoelastic模型, )当井筒和纯多孔弹性模型受冷却或等温条件下,分别在不同的时间。

当热渗透效应加剧不排水抗负载效应,热引起的孔隙压力和有效应力包括THMO模型的径向和切向应力表现出相反的变化比常见的三卤甲烷。高孔隙压力导致有效拉伸径向应力,从而产生钻孔内剥落形成的概率(或突出)40,41在较小的时间间隔后钻井井眼(参见图4 (b))。然而,孔隙压力的值逐渐向内转移形成的大小随着时间递减的进步。这种情况下还会减少有效应力,剪切破坏区背井离乡在自然形成。越压有效径向应力拉伸剥落故障消失的区域可以观察到在稍后的时间。自然冷却效果降低压力的本构方程(1);因此,图4 (c)显示了纯粹的多孔弹性(HM)模型具有较大的有效切向应力比THMO和三卤甲烷,尤其是区域在井壁或非常接近。但是,增加孔隙压力由于热渗透效应进一步减少井壁附近的切向应力的大小。

随着时间的流逝,常见的三卤甲烷的表明,孔隙压力的减少和更少的最低级是一个反向类比的THMO溶液和纯多孔弹性模型在井壁附近地区。最后,减少剪切应力的形式区别有效有效的切向应力和径向应力稳定的井筒剪切破坏的地区在井筒附近的墙上。

4.3。时间依赖的潜力井眼坍塌

一个说明了钻孔的潜在崩溃对不同的模型在本节内垂直钻孔。

Mohr-Coulomb强度准则是用来研究井眼稳定性。它通常表示的剪切应力 和平均有效压力 (有效应力定义为 )预测岩土材料的失败(42]。 在哪里和 ,分别对应于内在凝聚力的强度和岩石的内摩擦角。此外,上述最大和最小主应力和对应的特征值有效应力张量的矩阵( , 在方程(34一个)- (34 f在井眼)。一个获得两个主要强调通过求解特征方程如下:

注意,一个概要文件信封意味着失败。

总的来说,数字5显示了井眼坍塌与前面所提到的三种模型是时间。钻孔的位置崩溃发生在地层井壁(或下)在一个更早的时间,但在稍后井壁流离失所。有效抗压切向应力和有效的结合强度径向应力呈现最大剪切应力的大小 发生在形成。指出剪切应力适当的垂直井眼大小为零的井壁或形成;因此,有效主应力最大值和最小值和几乎等于有效的切向应力和径向应力有效。的潜力井眼坍塌发生井壁时间增加而增加;这是因为最大有效的切向应力发生在井眼在稍后的时间。

冷却的情况下,图5(一个)显示明显的热渗透效应进一步增强了不排水效应对低渗透岩石在给定的热扩散系数,因此,井眼坍塌的风险增加,形成内部的故障发生位置。同样,热渗透作用的加强效果不排水效应对低渗透岩石与岩石与一个较小的热扩散系数在给定的渗透系数。冷却效果降低了有效的切向应力,因此,冷却情况下的平均有效压力小于加热的情况。的潜力井塌首先发生在加热情况下的井壁THMO模型图5(一个)崩溃,但钻孔的位置可能会出现在前面在给定的三卤甲烷的形成模型。这是因为热渗透效应降低了不排水效果,使孔隙压力降低,因此,有效压缩径向应力沿径向距离消除的可能性最大剪应力发生在形成。

与热渗透作用的情况下考虑加强排水系统的影响,图5 (b)再次证实了观点,形成井眼坍塌发生的位置在早先时候钻井泥浆冷却形成。然而,图5 (c)表明上述现象对应的加热井眼。热效果进一步提高井眼坍塌的风险相比,数字5 (c)和5 (d)。另外,图5 (d)显示了时间效应消失与弹性的情况下增加的时间和方法。

本研究提出了对井筒稳定性和热渗透影响的效果也可以引入热渗透对水力压裂的影响的讨论43,44]。

5。结论

在平面应变条件下,本文制定了一套porothermoelastic解析解的垂直井筒钻在一个各向同性多孔岩层受到热渗透效应和nonhydrostatic远程压力。(1)当岩石渗透率较低的特点是大大大热渗透系数和热扩散系数越小,热渗透效应更显著强化或削弱了不排水抗负载效应(多孔弹性效应),并不适合忽视这种影响(2)的积极显著的产品级热渗透系数和温度梯度大,热渗透作用加剧了不排水抗负载效应,导致孔隙压力的累积。因此,低有效应力增加平均剪切应力和倾向于井筒稳定性恶化。疲软的情况下,相反,可以稳定井筒剪切破坏(3)钻探前泥浆比重设计建议考虑钻孔崩溃以来的时间地点位置首先发生在形成,而这是在井壁流离失所

数据可用性

读者可以请求数据通过联系相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究支持的钻井和完井技术的研究和示范扩展达到井在莱州湾南岸(不超过6000米。CNOOC-KJ135ZDXM36TJ06TJGD202201)。