基于THM的井壁稳定性分析.pdfVIP

大 庆 石 油 学 院 学 报 第32卷 第 6期 2008年 12月 JOURNAIOFDAQING PETRO1EUM INSTITUTE Vo1．32 No．6 Dec． 2008 基于 THM 的井壁稳定性分析 马海佳 ，张海军 ，张 冶。 (1．大庆石油学院提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 2．大庆油 田有限责任公司 采油工程研究 院，黑龙江 大庆 1637l2； 3．大庆油田有限责任公司 第六采油厂，黑龙江 大庆 163314) 摘 要：利用流一固一热三场耦合控制方程 ，根据井壁稳定分析所要研究的对象 ，对方程做必要的简化 ，并结合与井 壁稳定性分析相适应的边界条件，用有限元法求解方程，探究流一固一热三场耦合作用下的井壁稳定性 问题，为解决油 气井井壁稳定问题提供理论依据．结果表明：考虑三场耦合的条件下，温度变化对井壁稳定的影响程度主要取决于岩石 骨架和地层流体的热膨胀系数值及钻井液温度与地层温度羞}井壁温度与钻井液温度差值越大，井壁越趋于不稳定． 关 键 词：多孔介质；井壁稳定；热一流一固三场全耦合；THM；数值模拟 中围分类号：TE242 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2008)06—0050—06 0 引言 井壁失稳问题是石油钻井过程中普遍存在并始终困扰石油工业界的一大难题．由于井壁失稳每年造 成的经济损失达数亿美元 ]，钻井地质条件复杂，井壁失稳往往诱发钻井工程事故 ，从而影响钻井施工 进度 ，因此井壁失稳的机理研究一直受到石油工程界的高度重视．井壁稳定性受井壁附近岩石的物理 、力 学、化学特性的影响．传统的井壁稳定性研究理论假设地层孑L隙压力为原始地层压力，考虑地层压力变化 对井壁稳定影响的为少数．实际上 ，在整个钻井周期内，近井壁岩石力学特性为一耦合问题 ，即岩石骨架 与地层孔隙压力具有随时问变化的特性．在正压差钻井过程中，钻井液液柱压力大于地层孔隙压力，钻井 液的动滤失和静滤失造成地层孔隙压力的变化 ，孔隙压力作用于岩石骨架造成骨架应力变化．在欠平衡 钻井中，地层孑L隙压力高于钻井液液柱压力 ，地层孑L隙流体流人井筒 ，造成孑L隙压力的变化，同样影响着井 壁岩石的应力状态．因此无论是过平衡钻井还是欠平衡钻井，都会导致井壁附．近的孑L隙压力的改变，从而 影响近井眼地带岩石应力状态的改变．刘 向军 。j等研究了岩石骨架与地层流体耦合对井壁稳定性 的影 响．随着井深的不断增加地层温度不断升高 ，温度对井壁稳定性 的影响需加 以考虑．何湘清 等研究 了 温度对井壁稳定性的影响．针对岩石骨架 ，渗流压力 ，温度三场耦合下的井壁稳定性分析则有待研究，笔 者基于流一固一热三场耦合 (coupledthermal—hydrological—mechanical(THM)processes)来探寻井壁稳 定性 问题． 1 耦合机理 自20世纪 80年代以来 ，流一固一热三场耦合研究 已取得重 要进展 ，其完全耦合影响机理见图1．文献[5—9]发现研究此问题 的耦合数学模型繁多，其中有的文章罗列了几十个方程，虽较真实 反应了实际情况 ，但其求解过程非常复杂 ，有的至今尚无法得到数 值解． 图 1 完全 THM 耦合 系统 中耦 根据井壁稳定性的特殊情况，做如下假设 ： 合机理示意 (1)骨架变形为线弹I~／1变形 ；(2)孔隙流体流动规律可用 Darcy定律描述；(3)孔隙流体充满整个孔 收稿 日期 ：2008—05—08；审稿人 ：范洪富；编辑 ：关开澄 作者简介 ：马海佳 (1963一)．男 ．博士生。高级工程师 ，主要从事油气 田开发方面的研究 · 50 · 第6期 马海佳等：基于 THM 的井壁稳定性分析 隙，在低温区温度没达到相变临界相变温度 ，在高温区因地层压力较高液体仍不能气化．因此在温度作用 下不考虑相变的影响；(4)岩石骨架与地层流体始终处于热平衡 ，彼此之间不发生热交换 ，液体黏度不随温 度变化