能量守恒原理与井壁稳定分析

能量守恒原理与井壁稳定分析

传统的应力适应分析表明了许多井壁的不稳定性问题，但许多问题尚未解决。岩石损害分析相对保守。因为岩石破裂不一定导致井壁失去稳定性。岩石也在边界破坏点之前，即使岩石受损，井壁也会稳定，然后开始失去稳定性。本文从能量守恒角度出发分析了井壁稳定。其基本观点是当岩石内部能量储存到无法承受时,岩石内部微裂缝便会扩展以释放能量。岩石破坏是在介质内部能量积累超出临界极限时产生裂缝,内能通过生成微裂缝并相互作用导致裂缝扩展转变为表面能。钻井过程中能量的积累是由钻柱振动、井壁形变、钻井液与岩石的温差、物理化学作用以及岩石疲劳破坏引起的。裂缝扩展后流体的迅速渗入可能是导致井壁失稳的另一主要原因。因此,使用封堵型钻井液能够有效减少井壁失稳。1其它能量对岩石石能的影响如果岩石承受的应力超过其强度、变形太大或内部能量积累超过其承受极限都会造成断裂(井壁失稳),Santos等,根据能量守恒定律提出了井壁稳定性能量理论模型。岩石表面裂纹的产生是内能释放的结果。所有与钻井过程有关的能量变化都应考虑其对能量平衡的贡献,其它形式的能量也能增加或减少岩石的内能,如热能、岩石的化学变化与变形等。钻井液压力波动和钻柱振动引起的交变载荷也常常会增加岩石介质内能的积累,井壁的内能变化为:△U=Em+Es+Et+Ec−Ef(1)△U=Em+Es+Et+Ec-Ef(1)式中,Em、Es、Et和Ec分别为机械能、应变能、热能和化学能;Ef为裂缝表面能,其表达式为:Ef=γFs(2)Ef=γFs(2)其中,γ为单位面积表面能;Fs为新增裂纹表面积。根据方程(1),岩石内能变化取决于5种能量形式,若内能增加累积达一定值后,便通过一些释放机理来降低,其主要形式便是裂纹。尽管目前还不能确定各种能量形式对井壁稳定的贡献,但它们对岩石的影响机理、简单定量关系可做以下分析。1.1横向运动时间和加速度钻柱的振动属于机械能,它主要是由钻柱横向振动引起的,对井壁岩石产生疲劳破坏,但在岩石常规的破坏分析中很少用到。实际上,岩石内部Griffish裂缝比金属中的更多、更大,花岗岩疲劳破坏实验表明,交变载荷足以使岩石破裂。钻柱旋转的同时产生横向摆动,与井壁岩石发生碰撞,每次碰撞都会使井壁内能增加,重要的不是每个周期的最大最小载荷之差,而是作用于岩石上的平均应力水平,是决定岩石是否破裂和何时破裂的重要因素。已知钻柱的最大可能位移(环空),可求得钻柱横向运动时间t为t=2d/a−−−−√(3)t=2d/a(3)式中,d为钻柱最大位移;a为钻柱加速度。有些钻柱振动模型直接给出了钻柱侧向运动的加速度。那么钻柱的运动速度v可由加速度积分求得:v=∫t0at(4)v=∫0tat(4)则其动能形式可表示为K=0.5mv2(5)Κ=0.5mv2(5)钻柱横向加速度可由井下传感器测得,平稳钻进条件下大约为20g～30g(g=9.81m/s2),但也见有80g～150g的报道。设钻铤外径为203.2mm,钻头直径为311.15mm,则钻铤与井壁相距约50.8mm,加速度为80g,钻铤线重为2190N/m,钻铤与井壁线性接触,则钻柱与井壁每撞击一次,井壁岩石内能可增加2.7kJ。可见,当钻柱横向位移足够大时,碰撞会引起岩石内能的显著增加。1.2平面应变假设条件在原地应力各向异性时,钻井液压力代替原地应力引起井壁各向变形不同,这种情况下,某一井段可能向内变形而另一井段则可能不变形或向外变形,在平面应变假设条件下所有应变均可认为是沿径向的。据此,应变能对岩石形变的贡献为:Es=0.5σε(6)Es=0.5σε(6)因此,一个简单的三轴实验就可给出确定应变能需要的全部参数,相应的应变也可由简单的应力应变模型进行数值计算得出。1.3地层温度对于岩石热传导率的影响1992年,Somerton给出了一些半导体岩石的热容和热传导特性,其中,泥页岩热容的特征值为0.912J/(g·K)。因为岩石热传导率相当小,所以温度的作用仅仅在井壁周围。假设岩石温度升高20℃,则内能增加18.24J/g。室内实验表明,围压不变时岩石的强度与温度成反比,即温度升高,热能增加,破坏时的最大载荷和应变能减小,这也是能量法分析井壁失稳的根据。1.4dsc测定钻井液与岩石作用的化学能,可通过热量计(DSC)测定。将某泥页岩浸没于308℃、浓度为24%(w/w)的NaCl溶液中24h,其化学能改变量为120.2J/g。1.5石与钻头相互作用沿井壁取1cm3立方体单元,研究产生裂缝时总能量平衡,假设泥页岩密度为2.5g/cm3,则立方单元体质量为2.5g,不同形式能量在总能量平衡中的作用关系见表1。岩石与钻头相互作用是钻柱振动的振源之一,PDC钻头代替牙轮钻头可以有效地减小钻柱振动,有利于井壁稳定,这在油田钻井过程中已得到证实。现场经验表明,井壁失稳通常发生在钻开一段时间后的裸眼井段,且井壁一旦失稳便很难控制。从能量观点来看,开始时钻井液温度低于岩石温度,内能降低,随井深增加从深部地层返上来的钻井液温度比上部裸眼井段温度高时,岩石内能增加,一定时间后开始失稳,标志着岩石内能积累达到了极限,通常解决该问题所用的方法有短划眼、循环、扩孔等,这些都会由于交变载荷的影响使岩石内能增加,造成井眼进一步扩大。2缝扩展不含聚合物的地层水基钻井液一些文章指出泥页岩膨胀不是井壁失稳的主要机理,主要是因为钻柱振动、岩石与钻井液间的物理化学作用、温度变化等造成井眼附近能量过高或应力过大产生了裂缝带,而天然裂缝的存在使井壁失稳进一步扩大。钻井液入侵可以加速裂缝扩展,失去对井壁的支撑作用,最好的方法是使用封堵型钻井液,如硅基钻井液,热活性聚合物添加剂也可以降低水基钻井液的渗透特性。使用封堵型钻井液成功解决井壁失稳问题的现场实例很多,尤其是在活性泥页岩井段的使用更加成功,同时也证明了井壁失稳的主要原因不只是钻井液/岩石相互作用的结果。封堵型钻井液的缺点是在多数情况下有严重副作用,如硅基钻井液会严重损害地层,降低油藏生产能力,硬沥青影响地层测试等。目前最好的办法是使用可溶性聚合物的混合物,既能有效减少滤失又不造成地层损害,对环境也比较安全。另外,一些油田还用降低钻井液温度法减小钻井液/岩石间温差,提高井壁稳定性;减少起下钻压力激动和抽吸造成的压力波动等也是保持井壁稳定的重要因素。3定量化确定常用的能量形式1.基于能量守恒观点提出了一种分析井壁稳定的新方法。2.给出了钻井过程中钻柱振动、钻井液/地层