Influence of dynamic poro-elastic properties of Tumlin sandstone on wellbore stability

Abstract

Praca doktorska dotyczy wpływu dynamicznych właściwości porosprężystych na stateczność otworu wiertniczego w piaskowcu tumlińskim, którego złoże zlokalizowane jest w Polsce na północ od Kielc. W celu przeprowadzenia badań najpierw wykonano testy laboratoryjne mające na celu zmierzenie fizycznych, mechanicznych oraz dynamicznych właściwości porosprężystych skały. Dynamiczne parametry porosprężyste, takie jak współczynnik sprężystości objętościowej, współczynnik Biota, moduł Biota, współczynnik Skemptona, moduł Kirchhoffa, moduł Younga, współczynnik Poissona oraz współczynnik zmiany ciśnienia wskutek zmiany zawartości płynu zostały zmierzone przy użyciu aparatury do pomiaru prędkości fal akustycznych. Te właściwości porosprężyste mierzono w funkcji naprężenia hydrostatycznego, które było przyłożone do próbek piaskowca. Przeprowadzono symulacje komputerowe przy użyciu oprogramowania FLAC3D. W modelach numerycznych założono dwa scenariusze, aby przeprowadzić analizę stateczności otworu wiertniczego. Pierwszy scenariusz dotyczył początku wiercenia, kiedy skała szybko reaguje na operację wiertniczą, a ciśnienie gwałtownie zmienia się w skale. Ten stan odpowiada warunkom obciążenia w warunkach bez odpływu. Drugi scenariusz występuje krótko po pierwszym, gdy stan zmienia się na warunki z odpływem płynu. This PhD research investigated the effects of dynamic poro-elastic parameters on wellbore stability in Tumlin sandstone formation located north of Kielce, Poland. To conduct the research, firstly, laboratory tests were executed to measure the rock’s physical, mechanical, and dynamic poro-elastic parameters. The rock’s dynamic poro-elastic parameters including bulk modulus, Biot's coefficient, Biot's modulus, Skempton’s coefficient, shear modulus, Young's modulus, Poisson's ratio, and unconstrained specific storage coefficient were measured using an acoustic velocity measurement apparatus. Those poro-elastic parameters were measured as functions of hydrostatic stress applied on the sandstone samples. Then, numerical simulations were executed via FLAC3D software. In the numerical models, two scenarios were simulated to conduct coupled rock-fluid wellbore stability analysis. The first scenario was the start of drilling where the rock quickly reacts to the drilling operation, and the pore pressure suddenly increases in the rock. This condition corresponds to undrained loading conditions. The second scenario occurs shortly after the first scenario, when the loading condition shifts from undrained to drained conditions.