بخشی از مقاله
چکیده
شیل به عنوان سنگی که در تماس با آب از خود واکنش نشان داده و دچار پدیده تورم می شود، همواره مورد توجه حفاران و مهندسان نفت بوده است، زیرا که مسیر حفاري در بسیاري از این چاه ها از میان شیل ها عبور می کند. به همین دلیل مدل سازي فرایند تورم در این سنگ نیز از سوي این مهندسان همواره مورد استقبال قرار می گیرد. از بین عوامل موثر بر فرایند تورم در شیل ها، ضرایب فنومنولوجیک نقش مهمی دارند .
در این مطالعه، به بررسی این ضرائب در فرایند تورم در شیل ها پرداخته شده است و مدل سازي بر مبناي قوانین فرایندي انجام گرفته است. تحلیل هاي تئوریک نشان می دهد که اختلاف غلظت بین سنگ و سیال در تماس با آن به عنوان اصلی ترین عامل نفوذ سیال به درون سازند است. از سوي دیگر فشار ستون سیال نیز نقش مهمی در ناپایداري شیل ها ایفا می کند. نتایج این مطالعه نشان داد که اثر انتشار فشار در شیل بسیار بیشتر از اثر انتشار غلظت در آن بوده و باید این اثر را اصلی ترین عامل ناپایداري در شیل ها دانست.
– 1 مقدمه
شیلها حدود سه چهارم سطح زمین را پوشانده اند و حفاري در آنها معمولا با مشکل ناپایداري دیواره ها همراه است. دلیل این ناپایداري مجموعه واکنشهایی است که بین سطح شیل و سیال درون چاهی اتفاق می افتد. این نیز به نوبه خود نتیجه تاثیر آب و یونهاي درون آن بر کانیهاي موجود در شیل است که تمایل بسیار زیادي به جذب این یونها به درون ساختار مولکولی خود دارد. در اثر این یونها تغییر شکل و افزایش حجمی در شیلها رخ می دهد که از آن به نام تورم یاد می شود.
فرایند تورم در شیلها مجموعه چندین واکنش پشت سر هم است که تحلیل و بیان آن بصورت کیفی و ساده امکان پذیر نیست. ضمن آن که در طول عملیات حفاري دانستن این میزان تورم براي شرکت حفار مفید خواهد بود. لذا در راستاي اندازه گیري و ارائه نتایج کمی از آن در قالب مدل سازي فرایند تورم، امري اجتناب ناپذیر است. تلاشهایی در گذشته جهت این مدل سازي ها صورت گرفته و نتایجی نیز ارائه شده است.
در این مطالعه سعی شده است که ضمن بهره گیري از نتایج مطالعات قبلی، با کمی سازي و بیان عددي نتایج اولیه تورم در شیلها پیشنهادات مناسب جهت اجتناب از ناپایداري در دیواره شیلها نیز ارائه گردد. در این راستا ضرائب فنومنولوجیک که در ادامه در مورد آن توضیح خواهیم داد مورد مطالعه قرار گرفته و مدل سازي آن صورت پذیرفته است.
تئوري تحقیق
عدم تعادل بین فعالیت آب سازند و گل موجب ایجاد جریان اسمزي1 بین این دو می گردد. این فرض یک دید بسیار خوبی از مسئله به ما می دهد اما اجازه ي انجام محاسبات دقیق تحت شرایط واقعی که درآن محلول هاي الکترولیت غیر ایده آل اند را فراهم نمی کند. تغییرات فشار منفذي2 ایجاد شده توسط اثرات هیدرولیکی و شیمیایی عموما باعث ناپایداري شیل ها می گردد. تفاوت فشار هیدرولیکی یا اسمزي بین لایه ي شیلی و دیواره ي چاه باعث جریان یافتن حلال و املاح3 حل شده در آن به سمت دیواره ي چاه یا برعکس می گردد. در مراجع [1] و [2] جریان حلال و املاح حل شده در آن به سمت داخل یا خارج از شیل ها توسط مدل جریان سیالات درون غشاهاي غیر ایده آل4 تخمین زدند.
جهت تخمین راندمان غشایی شیل ها می توان از مدل هاي معرفی شده توسط [3] ، [4] و [5] استفاده کرد. همچنین شیل ها توسط ضریب بازتاب5 که [6] معرفی کرد شناسایی می شوند.
در شرایط ترمودینامیکی و تفاوت غلظت هاي محدود، انتقال حلال و ماده حل شونده از رابطه زیر تبعیت می کند:
در این رابطه Jv نرخ تبادل جرم حلال6، Js و I جریان مولی ماده حل شده7 و جریان الکتریکی هستند.
ΔP و ΔΠs و ΔΦ به ترتیب فشار هیدرولیکی، فشار اسمزي و گرادیان پتانسیل الکتریکی8 در جهت جریان هستند. Cs غلظت ماده حل شونده در محلول و Lij ضرایب فنومنولوجیک9 هستند که باعث ایجاد کوپل بین جریان و نیروهاي کشش مولکولی می شوند. طبق مطالعات روابط متقابل در مرجع [7] رابطه بین ضرایب چنین است: .Lij=Lji
که Cs غلظت میانگین حل شونده11 بین دو سیستم جدا شده توسط غشاء می باشد و ممکن است برابر غلظت گل حل شونده در غشاء در نظر گرفته شود. در محیط چاه که شبیه به سیستم استوانه اي است، روش محاسبه ضرایب فنومنولوجیک غالبا بر پایه استفاده از معادلات پوآسون – بولتزمن12، ناویر- استوکس13 و نرنست – پلانک14 است.
