Analysis of stress, flow and stability around deep wells

Abstract

This Paper is concerned with the mechanisms of soil failure and solid particles influx into well-bores penetrating uncemented and deformable porous media under seepage conditions such as occur in oil recovery from oil sand. A numerical procedure is presented for analysing the response of soils around deep wells that is suitable for practical applications. The theory used is based on Biot's general coupled flow and deformation equations that have been modified to allow for the non-linear soil behaviour and the effects of a compressible fluid phase. The procedure accounts for the plastic failure caused by drilling the well-bore and the tensile failure caused by the seepage forces into the well-bore. The developed model is verified against closed-form solutions and validated by simulating a field problem involving a deep oil well that had experienced sand production during its operation. Application of the numerical model indicates that the initiation of soil liquefaction leading to sand production requires the fluid pressure gradient to exceed a certain critical value that is governed by the properties of the formation. The enhancement of permeability within the liquefied zone results in a reduction of fluid pressure gradient that may terminate the inflow of sand into the well. Sand inflow or production can be reactivated if the fluid pressure gradient exceeds a new critical level commensurate with the modified well-bore geometry and formation properties. L'article discute les mécanismes de la rupture du sol et l'entrée de particles solides dans des trous de forage qui pénètrent des matières poreuses non-cimentées et déformables dans des conditions de percolation telles qu'elles existent dans la récupération de l'huile à partir de sables pétrolifères. Une procédure numérique est présentée pour analyser la réponse des sols autour des puits profonds, elle est utilisable pour des applications pratiques. La théorie employée est basée sur les équations couplées générates de Biot pour l'écoulement et la déformation avec des modifications introduites afin de prendre compte le comportement non-linéaire du sol et les effets d'une phase fluide compressible. La procédure explique la rupture plastique provoquée par le forage du puits et la rupture de traction qui résulte des forces de percolation dans le puits. Le modèle développé est vérifié avec des solutions de forme fermée et il est validé en simulant un problème en chantier concernant un puits de pétrole profond qui avait produit du sable au cours de la réalisation. L'application du modèle numérique indique que le sol ne commence à se liquéfier avec la production éventuelle de sable que si le gradient de pression fluide dépasse une valeur critique déterminée par les propriétés de la formation. L'amélioration de la perméabilité à l'intérieur de la zone liquéfiée conduit à une réduction du gradient de pression fluide qui peut mettre fin à l'entrée de sable dans le puits. L'entrée ou la production de sable peuvent être réactivées si le gradient de pression fluide dépasse une nouvelle valeur critique fonction de la géometrie modifiée du puits et des propriétés de la formation.