شبيه‌سازي نيمه تحليلي برهم‌كنش شيميايي- فيزيكي شيل‌هاي حساس به آب

Semi-Analytical Simulation of Physicochemical Interaction for Reactive Shales

ناپایداری سازندهای شیلی، منشا اصلی بسیاری از مشكلات حفاری است كه منجر به صرف هزینه‌های زیاد و اتلاف زمان می‌شود. پیش از حفاری، تنش‌های مكانیكی سازند، كمتر از مقاومت سنگ بوده و شرایط شیمیایی نیز در حال تعادل است. سنگ تحت این شرایط متعادل، در حالت پایدار قرار دارد. اما پس از عملیات حفاری، نیروهای برشی، كششی و تراكمی سنگ اطراف چاه، تغییر می‌نماید. فعل و انفعال‌های شیمیایی نیز در اثر تماس سازند شیلی با سیال حفاری رخ می‌دهد كه خود دلیلی برای ناپایداری دیواره چاه می‌باشد. مكانیزم‌ عمده ناپایداری سازند شیلی، انتقال فشار هیدرولیكی و همچنین پدیده اسمزی است. به تاخیرانداختن افزایش فشار منفذی در نزدیك دیواره چاه، امری ضروری است. این امر می‌تواند با افزایش خاصیت غشایی شیل از طریق افزودن نمك‌های مختلف و انسداد فیزیكی منافذ شیل با استفاده از انواع نانو ذرات و یا پلیمرها محقق گردد. برای جلوگیری و حل مشكلات ناشی از سازندهای شیلی، شناخت و بررسی ویژگی‌های سازند و همچنین تغییر و تحولات پدید آمده در اثر واكنش‌های متقابل سنگ و سیال، ضروری به نظر می‌آید. از این رو در این مقاله با به كارگیری تئوری پوروالاستیك شیمیایی خطی، معادلات میدانی حاكم بر مسأله استخراج شده است. با توجه به اینكه معادلات انتشار به صورت كوپل كامل می‌باشند، با استفاده از روش‌های تحلیلی و عددی، این معادلات جداسازی و نهایتا حل شده‌اند. نتایج به‌دست آمده از این شبیه‌سازی نشان می‌دهد كه مدل ارائه شده، می‌تواند تست انتقال فشار منفذی و رفتار سازند شیلی در مجاورت سیال حفاری را به خوبی شبیه سازی كند.  

Shale formation instability is the main source of many problems in drilling operation causing significant costs and wasting time. Prior to drilling, mechanical stresses are less than fracture resistance of rock and chemical conditions are in balance within the formation. Because of that, in this balanced situation, the formation is stable. However, shear, tensile and compressive forces vary around the wellbore after drilling operations. Under these conditions, the rocks around the well become unstable. On the other hand, while the formation contacts with drilling fluid, chemical interactions occur, one of possible reasons for the wellbore instability. Hydraulic pressure transmission and osmotic pressure are the main mechanisms of shale formation instability. Thus it is very vital to delay the pore pressure increase surrounding the well. This can be achieved by adding various salts and applying different types of nano-particles or polymers to block the shale pores to improve the shale membrane properties. In order to prevent consequential problems associated with shale formations, it is necessary to study the formation characteristics and evaluate changes occurred due to rock-fluid interaction. Hence, in this paper, the field equations governing the problem have been derived based on the linear chemo-poroelastic theory. Since Diffusion equations are mainly fully coupled, therefore by using analytical/ numerical methods, these equations have been decoupled and solved finally. The simulation results show that the proposed model can appropriately simulate the pore pressure transmission test (PPTT) and shale formation behavior contact with drilling fluid.