بخشی از مقاله
چکیده
اکثر مشکلات مربوط به ناپایداري دیواره هاي چاه در سازندهاي حاوي شیل رخ می دهد. مدل هاي مختلفی به منظور بررسی رفتار شیل ها در تماس با سیال آب پایه ارائه شده اند. از این مدل ها براي پیش بینی وزن مناسب گل حفاري، نمک هاي مناسب و غلظت بهینه آنها استفاده می شود. مشکل اصلی در استفاده از این مدل ها کمبود اطلاعات آزمایشگاهی درباره مشخصات و ویژگی هاي شیل ها می باشد. در این میان پارامترهاي مکانیک سنگی از اهمیت ویژه برخوردار می باشند. در این مقاله تست بارگذاري سه محوره در شرایط تخلیه اي و غیرتخلیه اي بر روي یک نمونه شیل انجام شده است. این تست تحت فشار محصورکننده 20 MPa و فشار منفذي 5 MPa انجام می شود.
همچنین سرعت بارگذاري محوري مناسب اهمیت ویژه اي دارد. با تحلیل نمودار هاي تنش-کرنش بدست آمده از آزمایش، مدول یانگ و ضریب پواسون به عنوان دو پارامتر تعیین کننده رفتار مکانیکی سنگ محاسبه می شوند. نتایج بدست آمده نشان می دهند که شیل مورد بررسی داراي مدول یانگ و ضریب پواسون تحت شرایط تخلیه اي معادل 989 MPa و 0/14 و مدول یانگ و ضریب پواسون تحت شرایط غیرتخلیه اي معادل 1245 MPa و 0/41 می باشد. همچنین همانطور که از اعداد گزارش شده بر می آید، پارامترهاي الاستیک شیل مورد بررسی تحت شرایط تخلیه اي داراي مقدار کوچکتري در مقایسه با پارامترهاي مشابه تحت شرایط غیرتخلیه اي می باشد. از این مقادیر می توان براي بدست آوردن کلیه پارامترهاي الاستیک مربوط به سنگ استفاده نمود که در طراحی هاي مربوط به پایداري چاه مورد استفاده قرار می گیرند.
واژه هاي کلیدي: ناپایداري دیواره هاي چاه، شیل، مکانیک سنگ، مدول یانگ، ضریب پواسون
- 1 مقدمه
ناپایداري دیواره چاه در سازندهاي شیلی یکی از مشکلات رایج و پرهزینه در حفر چاه هاي نفت و گاز به شمار می رود. دامنه وسیعی از این مشکلات به تفصیل در مقالات مختلف مورد بحث و بررسی قرار گرفته است .[1,2] بنابراین ارزیابی پایداري دیواره چاه در سازند هاي حاوي شیل امري اجتناب ناپذیر می باشد. از آنجا که شیل ها در تماس با سیالات آب پایه متورم می شوند و نسبت به ترکیب شیمیایی سیال حفاري حساس می باشند، مدل هاي رایج پوروالاستیک در پیش بینی رفتار این سنگ ها در مجاورت سیالات آب پایه دچار نقص می باشند. از این رو مدل هایی توسط محققان ارائه شده است که تاثیر پتانسیل شیمیایی گل حفاري بر روي پایداري شیل را مورد بررسی قرار می دهند. استفاده از این مدل ها نیازمند داشتن اطلاعاتی درباره پارامترهاي مختلف فیزیکی-شیمیایی شیل می باشد. در این میان پارامترهاي مکانیک سنگی و رفتار تنش-کرنش شیل ها بسیار حائز اهمیت می باشند .[3-7] از آنجایی که شیل ها داراي ویژگی هایی مابین سنگ هاي سخت و خاك هاي سست می باشند اندازه گیري مشخصات مکانیکی آنها کاري پیچیده و دشوار می باشد. مهمترین ویژگی متمایز کننده این سنگ، تراوایی بسیار پایین آن - در محدوده میکرو تا نانودارسی - می باشد .[3,4,6] تراوایی بسیار پایین شیل ها باعث می شود تا انجام تست بر روي آنها بسیار زمان بر و نیازمند استفاده از دستگاه ها و روش هاي خاص باشد.
سازندهاي شیلی حفاري شده به علت تراوایی پایین، در ابتدا تمایل دارند که به صورت غیرتخلیه اي - undrained - رفتار نمایند و تغییر شکل دهند. به همین دلیل تست بارگذاري سه محوره در شرایط غیرتخلیه اي رایج ترین تست ارزیابی مشخصات مکانیک سنگی شیل ها می باشد. این نوع تست بر روي نمونه شیل هایی از دریاي شمال، خلیج مکزیک، استرالیا و برزیل انجام شده است .[3-6] اگرچه تست هاي انجام شده در شرایط غیر تخلیه اي به شرایط موجود در درون چاه نزدیک تر می باشد اما انجام تست هاي بارگذاري سه محوره در شرایط تخلیه اي نیز گزارش شده است .[8,9] علیرغم اهمیتی که رفتار مکانیکی شیل در بررسی هاي پایداري دیواره هاي چاه دارد، براساس اطلاعات نویسندگان، تست مکانیک سنگی بر روي یک نمونه شیل در ایران تاکنون انجام نشده است. در این مقاله سعی شده است تا به بررسی رفتار مکانیکی یک نمونه شیل پرداخته شود. تست ها در آزمایشگاه ژئومکانیک دانشکده مهندسی نفت دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده اند. نحوه انجام تست مکانیکی شیل و پردازش داده ها به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته و نتایج گزارش شده اند.
- 2 روش و مراحل تحقیق
تست تشخیص مینرالوژي انجام شده نشان می دهد که نمونه شیل استفاده شده در این مقاله حاوي %58 کانی هاي رسی می باشد که %47 آن را ایلیت و %11 آن را کلریت تشکیل می دهند. کانی هاي باقیمانده نیز شامل %24 کوارتز، %12 پلاژیوکلاز و %6 سایر اجزا می باشند. تست هاي اندازه گیري تخلخل و تراوایی نشان می دهند که این سنگ داراي تخلخل و تراوایی به ترتیب %8.26 و 1.44 نانودارسی می باشد. در این مطالعه، از یک دستگاه بارگذاري سه محوره اتوماتیک - ATC - ساخت شرکت CSIRO استرالیا براي انجام تست و اندازه گیري پارامترهاي مکانیک سنگی شیل موجود استفاده شده است. این دستگاه داراي سه پمپ کنترلی دقیق به منظور اعمال بار محوري، فشار محصور کننده و فشار منفذي می باشد. این پمپ ها قابلیت اعمال بار محوري تا 450 KN و فشارهاي محصورکننده و منفذي تا 70 MPa را فراهم می سازند. همچنین امکان انجام تست بر روي نمونه هایی با قطرهاي 1، 1/5 و 2 اینچ با طول 2 تا 2/5 برابر قطر فراهم می باشد. هنگام انجام تست اندازه نیروي اعمال شده بر روي نمونه، فشار جانبی، فشار منفذي در دو انتهاي نمونه، جابجایی هاي محوري و جانبی و ... توسط نرم افزار ثبت و براي انجام پردازش هاي بعدي ذخیره سازي می شوند.
یک نمونه با قطر 25/3 mm و طول دو برابر قطر که در راستاي عمود بر لایه بندي به صورت خشک از یک رخنمون نمونه برداري شده و دو سر آن برش و صیقل خورده است، براي انجام تست استفاده شده است. از تست بارگذاري سه محوره در شرایط تخلیه و عدم تخلیه براي محاسبه پارامترهاي مکانیکی سنگ در این مقاله استفاده شده است. بعد از قرار دادن نمونه درون یک روکش لاستیکی و نصب کرنش سنج هاي محوري و جانبی، اطزاف نمونه با استفاده از روغن پر می شود و فشار جانبی 20 MPa بر آن اعمال می گردد. در ادامه با اعمال فشار 5 MPa در قسمت فوقانی نمونه، آن را با آب نمک %5 NaCl اشباع می نماییم. هنگامی که فشار سیال در قسمت تحتانی نمونه نیز برابر 5 MPa شود، نمونه به طور کامل اشباع شده است. 4 تا 5 روز طول می کشد تا این مرحله به طور کامل انجام شود. بعد از تثبیت فشارهاي قرائت شده در قسمت هاي فوقانی و تحتانی نمونه، مرحله بارگذاري نمونه در شرایط تخلیه اي و غیرتخلیه اي انجام می شود. از آنجا که انجام تست بر روي شیل به علت تراوایی بسیار پایین آن زمان بر می باشد از یک نمونه براي بارگذاري تحت هر دو شرایط استفاده می شود. به این صورت که ابتدا نمونه تحت شرایط غیرتخلیه اي در محدوده الاستیک خود بارگذاري می شود و بعد از باربرداري کامل تست در شرایط تخلیه اي انجام می شود.
- 3 ارائه و تحلیل نتایج
شکل 1 و 2 نمودار تنش اختلافی - اختلاف تنش محوري و جانبی - بر حسب کرنش هاي جانبی، محوري و حجمی را نمایش می دهند. با محاسبه شیب میانگین نمودار تنش بر حسب کرنش محوري مدول یانگ - E - نمونه شیلی بدست می آید. همچنین از تقسیم کرنش جانبی بر کرنش محوري ضریب پواسون - υ - محاسبه می گردد. مقادیر مربوط به این پارامترها در جدول یک خلاصه شده اند.
- 4 جمع بندي
در این مقاله نحوه انجام تست بارگذاري سه محوره یک نمونه شیلی تحت شرایط تخلیه اي و غیرتخلیه اي در ساده ترین حالت ممکن مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده ارائه گردید. مدول یانگ و ضریب پواسون به عنوان دو پارامتر الاستیک سنگ از روي نمودارها محاسبه شدند. با توجه به مقادیر بدست آمده مشاهده می شود که پارامترهاي الاستیک در شرایط غیرتخلیه اي داراي اندازه هاي بزرگتري نسبت به پارامترهاي تخلیه اي می باشند. با استفاده از این دو پارامتر الاستیک و استفاده از روابط میان متغیرهاي الاستیک، کلیه پارامترهاي الاستیک مربوط به سنگ قابل محاسبه می باشند. می توان از این پارامترها در بررسی پایداري دیواره چاه هاي حاوي شیل استفاده نمود.
