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Stability modelling applied to wellbore design

Rocca Vera Verga Francesca
Articolo Immagine
ISSN:
1121-9041
Rivista:
GEAM
Anno:
2008
Numero:
125
Fascicolo:
GEAM N.125/2008

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Modello totalmente accoppiato per l’analisi di stabilità dei pozzi petroliferi. La realizzazione di un pozzo petrolifero comporta l’inevitabile alterazione dell’equilibrio tensionale proprio della roccia intatta e delle condizioni termodinamiche presenti nella formazione indisturbata. La ridistribuzione sia dello stato tensionale sia del campo deformativo che ne consegue risulta particolarmente rilevante nel volume di roccia che si trova nell’intorno del pozzo e può essere causa dei principali fenomeni di instabilità del foro che si verifi cano durante e in seguito alle operazioni di perforazione. Problemi quali il distacco e la convergenza delle pareti del pozzo, il cedimento e la fratturazione del volume roccioso intorno al foro possono comportare, oltre al danneggiamento parziale o totale del pozzo, anche perdita di circolazione di fango in formazione e l’insorgere di fenomeni di kick. Si è stimato che, a livello mondiale, i problemi di instabilità aggravano del 12-15% circa i costi complessivi della perforazione. Nell’industria petrolifera è prassi comune modellizzare la risposta deformativa di una formazione avvalendosi della teoria classica di tipo poro-elastico. Tuttavia tale criterio non è sempre in grado di riprodurre con un grado di affi dabilità e precisione soddisfacente le peculiarità di numerose tipologie di rocce, quali, ad esempio i minerali delle argille (che rappresentano circa il 75% delle formazioni attraversate in fare di perforazione). Il lavoro proposto è stato fi nalizzato a modellizzare il comportamento dei materiali argillosi tramite lo sviluppo di un modello in grado di tener conto del forte grado di interconnessione esistente tra gli aspetti geomeccanici e termodinamici del problema, facendo ricorso all’accoppiamento completo tra le equazioni geomeccaniche, le equazioni idrauliche e quelle termiche. Nel presente articolo viene proposta la formulazione analitica del modello termo-poro-elasto-plastico per la risoluzione di problemi mono-dimensionali assialsimmetrici caratterizzati da uno stato di deformazione piana, adottando l’approccio di Desai per l’analisi del comportamento plastico della formazione. Il modello è stato inizialmente validato, sulla base di numerosi casi sintetici e reali, utilizzando un programma di modellizzazione geomeccanica impiegato nell’ambito della geotecnica e dell’ingegneria mineraria in genere. Basandosi sui risultati ottenuti dalle analisi di stabilità condotte su casi reali, l’articolo mostra l’importanza di avvalendosi di tecniche di modellizzazione numerica a scala di foro per simulare la variazione spazio-temporale della risposta deformativa e tensionale della formazione rocciosa potenzialmente indotta dall’attività di perforazione. Soprattutto durante la fase esplorativa, quando le conoscenze sul comportamento delle formazioni attraversate sono generalmente assai limitate, la possibilità di disporre di uno strumento mediante il quale simulare a priori differenti scenari permette di verifi care l’adeguatezza del programma di perforazione in relazione alle formazioni che dovranno essere attraversate alle diverse profondità sia in termini di caratteristiche dei fanghi da utilizzare sia di parametri di perforazione quali la traiettoria ottimale di perforazione o la velocità di avanzamento dello scalpello.

When a well is drilled in a hydrocarbon reservoir, the thermodynamic equilibrium of virgin rocks is altered, the natural stresses are redistributed, and a stress concentration occurs around the hole. The alteration of original equilibrium can lead to wellbore yield, evidenced as shear banding and dilatation, circumferential crack, and microfi ssuring process. Borehole instability represents the main cause for loss of drilling fl uids and consequent potential kick problems, and can be so severe to determine the wellbore abandonment. Loss of time associated with stability problems is estimated to account for between 12 and 15% of drilling cost world-wide. Physical and mechanical processes occurring within and around the borehole because of interaction between drilling fl uids and rocks can degrade the stability of the wellbore especially in shale intervals, which can make up over 75% of drilled formations. In fact, due to their fi ne-grained nature and low permeability, in association with high porosity and high fl uid saturation, shale minerals are particularly sensitive to time-dependent stability degrade. In order to accurately analyse the complex behaviour of shale minerals, the effects of mechanical deformation, hydraulic diffusion and temperature gradient, as well as their combination must be taken into account. The classic poro-elastic theory, which allows consideration of the coupled phenomena of time-dependent pore fl uid diffusion and formation stress variation, fails to capture the effects of temperature gradient and plastic deformation, particularly remarkable in the shale behaviour analysis. So a thermo-poro-mechanical approach, coupling constitutive equations with thermal and hydraulic laws, is necessary to perform accurate time-dependent analyses of stress, pore pressure and temperature distribution around the wellbore in shale formations. This paper presents the analytic formulation of a thermo-poro-mechanical model, in which the basic Desai’s model is used to describe the rock plastic behaviour for a mono-dimensional, axisymmetric problem in plane state of strain. With the aid of an in-house software, the proposed model was fi rst validated, also by comparison with the output of a well-known geomechanical numerical simulator available on the market, and then applied to several real and synthetic cases. Based on the results of one of the examined case history, the paper shows how the borehole stability modelling approach is fundamental to systematically take into consideration the stress variations around the hole and the associated rock deformation and pore pressure changes during drilling. The prediction of natural equilibrium time-dependent alterations allows drilling engineers to improve the design phase, to take decisions on critical effects potentially occurring during drilling as well as to optimize completion (e.g. casing placement and/or cementing) of a well.

La modélisation de la stabilité pour le design d’un puits de forage. En trépanant un puits dans un gisément d’hydrocarbure, l’équilibre termodinamique de la roche vierge est altéré: les contraintes naturelles sont redistribuées, en se concentrant, en particulier, autour du puits. L’altération de l’équilibre originaire peut causer l’écoulement du puits même, évidencié par des effets de dilatation et de craquement circonférenciel, par la formation de bandes de cisaillement, et par processus de microfi ssurage. L’instabilité du puits de forage représente la principale cause de perte des fl uides de perforation et conséquents problèmes poténtiels de kick, qui peuvent conduire à l’abandonnement du puits de forage même. Les problèmes d’instabilité du puits causent un rallentissement des opérations de forage qui ont été evaluées entre le 12 et le 15% respect au coût total de perforation. Les processus physiques et mécaniques qui se produisent autour du puits de forage, à cause de l’intération entre les fl uids de perforation et la roche, peuvent dégrader la stabilité du puits surtout dans les niveaux de schistes, qu’ils arrivent à composer jusqu’à 75% des formations géologiques perforées. En effet, à cause de leur granulometrie très fi ne et de leur faible permeabilité, in association à une haute porosité et une haute saturation en fl uids, les minéraux de l’argile sont particulièrement sensibles à la dégradation de la stabilité. Au but d’une analyse accurée du complexe comportement des minéraux de l’argile, il faut bien considérer les effets de la déformation mécanique, du gradient de temperature et de la diffusion hydraulique, aussi bien que leur combination. La téorie classique du modèle poro-elastique, qui permet des considérations sur les fénomènes accouplés de la diffusion des fl uids parmi les pores et la variation des contraintes de la formation, n’est pas à même de considérer les effets de la déformation plastique et du gradient de temperature, que l’analyse du comportement de l’argile demontre être très remarquables. Par conséquence, il faut considérer une approche termoporo- mécanique, qui soit à même de coupler les equations constitutives avec les lois termiques et hydrauliques, au but d’exécuter une analyse accurée, qui soit dépendante du temps, des distributions des contraintes, de pressions dans les pores et de la temperature autour du puits de forage dans les formations schisteuses. Cet article présente la formulation analytique d’un modèle termo-poro mécanique, dans lequel le modèle fondamentale de Desai est utilisé pour décrire le comportement plastique de la roche pour un problème unidimensionnel et asymétrique en conditions de stress plan. Le modèle a été transformé en software et, en utilisant differentes données (réelles et synthetiques), a été validé à travers la comparaison avec les résultats obtenus avec un simulateur numérique pour la geomécanique bien connu et commercialisé depuis longtemps. Fondé sur les résultats obtenus avec un des cas historiques examinés, l’article montre comme l’approche à la modélisation de la stabilité du trou de forage est fondamentale pour considérer systématiquement les variations de stress autour du trou même, la conséquente déformation associée de la roche et le changements de la pression des pores pendant que l’on trépane le puits. La prédiction des altérations de l’équilibre naturel, dependantes du temps, permet aux ingégneurs d’améliorer la phase de design, de prendre des décisions à régards des effets critiques qui arrivent pendant que l’on trapane le puits aussi bien que dans la phase d’optimization de la compléction (placement du casing/ou cementation) du puits.