مدل سازی رشد ترک در شکست هیدرولیکی به روش المان - دانلود رایگان
دانلود رایگان شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از روشهای کلیدی استخراج منابع گاز و نفت برای سالها مورد توجه بوده است، شکست هیدرولیکی فرآیند ایجاد ترک در سازنده های زیرزمینی ب
دانلود رایگان
| مدل سازی رشد ترک در شکست هیدرولیکی به روش المان محدود در چاه های نفت و گازشکست هیدرولیکی فرآیند ایجاد ترک در مخازن نفت و گاز به منظور افزایش نفوذپذیری جهت استخراج بیشتر بوسیله ایجاد فشار سیال در مقطعی از چاه است. اطلاعات صحرایی مربوط به عملیات شکست هیدرولیکی عمدتا به صورت نمودار فشار-زمان است که تعیین هندسه ترک و عوامل موثر در رشد ترک از این نمودار ممکن نیست. در این راستا بررسی مدل های تحلیلی و عددی دو بعدی یا سه بعدی جهت پیش بینی گسترش ترک لازم است. در این پایان نامه در ابتدا به بررسی کلی علم مکانیک شکست و روشهای المان محدود و المان محدود توسعه یافته پرداخته شده است. در بخش بعدی از آنجا که قبل از هر مدلسازی شناخت محیط امری ضروری است، پارامتر های ژئومکانیکی و تنش های منطقه ای در مخزن نفت و گازی هنگام در خلیج فارس مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله بعد بهترین لایه جهت انجام عملیات شکست هیدرولیکی را با توجه به تنش منطقه ای و درصد اشباع آب کمتر و درصد تخلخل سازندی ییشتر انتخاب کرده که در مخزن هنگام سازند ایلام بهترین شرایط را برای انجام عملیات شکست هیدرولیکی دارد. در مرحله بعد تاثیر عوامل مختلف بر فاکتور شدت تنش به عنوان مهمترین پارامتر گسترش ترک در عملیات شکست هیدرولیکی مورد بررسی قرار گرفت، بیشترین تاثیر را تنش های منطقه داشته که با افزایش تنش های منطقه فاکتور شدت تنش افزایش می یابد. با افزایش زاویه چاه هر چه به سمت افزایش تنش های منطقه ای پیش میرویم درجه فاکتور شدت تنش افزایش می یابد. نحوه ایجاد ترک اولیه نیز تاثیر زیادی در گسترش ترک دارد مثلا با افزایش زاویه مشبک کاری یا ایجاد ترک اولیه، فاکتور شدت تنش کاهش می یابد. با افزایش شعاع ترک اولیه ضریب شدت تنش افزایش می یابد. همچنین با بررسی اثر فشار تزریق بر گسترش ترک مشاهده شد که هر چه تنش های منطقه ای بیشتر باشد فشار تزریق بیشتری برای بازشدگی مطلوب، نیاز است. سپس از طریق المان محدود توسعه یافته مسیر رشد ترک را مدلسازی کرده و مشاهده شد که گسترش ترک همواره در راستای تنش افقی ماکزیمم رخ می دهد. این مدلسازی توسط نرم افزار المان محدود Abaqus انجام شده است. کلمات کلیدی: ژئومکانیک مخزن، شکست هیدرولیکی، گسترش ترک، فاکتور شدت تنش فهرست مطالب فصل 1 مقدمه 1 1-1- مقدمه 1 1-2- بیان مسئله و ضرورت انجام تحقیق 2 1-3- ﺗﺎﺭﻳﺨﭽﻪ و روش انجام عملیات شکست هیدرولیکی 4 1-4- تفسیر عملیات شکست هیدرولیکی 6 1-5- عوامل تاثیر گذار بر عملیات شکست هیدرولیکی 9 1-5-1- بررسی توزیع تنش های اطراف چاه 9 1-5-2- اثر سیال و افزاینده ها درعملیات شکست هیدرولیکی 12 1-6- مدلهای تحلیلی و عددی در شکست هیدرولیکی 15 1-7- بررسیﻣﺪﻟﺴﺎزي های انجام شده ﻫﻨﺪﺳﮥ ﺷﮑﺴﺖ ﻫﯿﺪروﻟﯿﮑﯽ 17 1-7-1- مدلهاي دو بعدي 18 1-7-2- مدلهاي سه بعدي 21 1-7-3- مدل PKN-C 23 فصل 2 مکانیزم گسترش ترک 25 2-1- مقدمه 25 2-2- انواع شکست 26 2-3- مود های اصلی شکست 28 2-4- چقرمگی شکست 29 2-5- فاکتور شدت تنش 30 2-6- معیارهای شکست 32 2-6-1- معیار ماکزیمم تنش مماسی 32 2-7- تنش های نوک ترک و مؤلفه های جابجایی 34 2-8- محاسبه فاکتور شدت تنش 37 2-8-1- روش همبستگی جابجایی ها 38 2-8-2- تکنیک اصلاح شده بستار ترک 39 2-9- انتگرال J 40 2-9-1- انتگرال J به عنوان يك انتگرال مستقل از مسير 43 2-9-2- انتگرال J به عنوان يك پارامتر شدت تنش 44 2-9-3- حدود انتگرال انرژي 45 2-10- روش المان محدود 47 2-11- فرآيند تحليل عناصر محدود 50 2-12- روش المان محدود توسعه یافته 51 2-13- اصول کلی روش المان محدود توسعه یافته 52 2-14- توابع غنی ساز محلی و چگونگی اعمال آنها در روش المان محدود توسعه یافته 53 2-15- تحلیل گسترش ترک در نرم افزار Abaqus 58 2-15-1- تابع غنی سازی شده 58 2-15-2- مدل سازی انتشار ترک به روشcohesive segment 60 2-15-3 تعریف نمایه غنی شده و ویژگی های آن 61 2-15-4- رفتار الاستیک خطی کشش-جدایش 61 2-15-5 مدل سازی شکست پیدایش و جهت گسترش 62 فصل 3 مدل ژئومکانیکی مخزن 63 3-1- مقدمه 63 3-2- اجزاي مدل ژئومكانيكي مخزن 64 3-3- خواص مكانيكي سنگ 65 3-3-1- خواص الاستيك 65 3-3-2- خواص مربوط به شكست سنگ 65 3-3-3- فشار منفذي 65 3-3-4- ميدان تنش 66 3-4- روش تعيين اجزاي مدل ژئومكانيكي مخزن 68 3-4-1- روش استاتيك (مخرب) 68 3-4-2- روش ديناميك 69 3-5- معرفی میدان نفتی و گازی هنگام 69 3-6- بررسی مسیر و لیتولوژی چاه مورد مطالعه 70 3-7- بررسی پارامتر های ژئومکانیکی مخزن 73 3-7-1- محاسبه مدول یانگ و ضریب پواسون 74 3-7-2- محاسبه مقاومت فشاری تک محوری 75 3-7-3- 3-1- فشار سیال حفاری 78 3-2- محاسبه فشار منفذي 79 3-2-1- كاربرد نمودار صوتي 80 3-2-2- كاربرد نمودار مقاومت ويژه الكتريكي 80 3-3- نرم افزار Geo log 80 3-4- 3-4-1- جهت تنش های افقی 85 3-5- آنالیزجهت تنش های برجا در منطقه هنگام 87 3-6- محاسبه اندازه تنش های برجا 92 3-6-1- تنش عمودی 92 3-6-2- تعيين تنش افقي حداقل 92 3-6-2-1- آزمايشهاي میکرو شکست و شکست گسترش یافته 92 3-6-2-2- كاربرد روابط تجربي 93 3-6-2-3- تعيين تنش افقي حداكثر 93 3-6-2-4- آزمايش شكست هيدروليكي 94 3-6-2-5- كاربرد روابط تجربي 95 3-6-2-6- شكست فشاري 95 3-7-ﺷﮑﺴﺖ ﮐﺸﺸﯽ 98 3-8- 3-9- مشخصات بهترین لایه جهت انجام عملیات شکست هیدرولیکی 103 فصل 4 مدلسازی رشد ترک با استفاده از نرم افزار Abaqus 104 4-1- معرفی نرم افزار 104 4-1-1- اصول ABAQUS 105 4-1-2- کلیات حل مسئله 105 4-1-3-خانواده المانها: 106 4-1-4-درجه آزادی: 106 4-1-5-تعداد گره ها (مرتبه درون یابی) 106 4-1-6- فرمول بندی المان ها: 107 4-1-7- انتگرال گیری: 108 4-2- مدل سازی در نرم افزار Abaqus 108 4-3- مدلسازي چگونگي آغاز رشد شكاف 112 4-4- نتایج بدست آمده از تحلیل 112 4-5- مدلسازی گسترش ترک به روش المان محدود توسعه یافته 116 مراجع...12 فهرست شکل ها شکل 1-1 شمایی از یک عملیات شکاف هیدرولیکی 1 شکل 1-2: نمودارتخمین مقدار هزینه اختصاص یافته به عملیات شکست هیدرولیکی 4 شکل 1-3 نمایی از قرار گرفتن پکر ها و انجام شکست در قسمت های مختلف چاه 6 شکل 1-4 نمودار توالی بارگذاری بار برداری در عملیات شکست هیدرولیکی 7 شکل 1-5: روش شکست هیدرولیکی و اثر تنش های منطقه ای 10 شکل 1-6: اثر رژیم تنش روی جهت گسترش ترک 11 شکل 1-7: شکست گسترش یافته مدل شده و حقیقی 11 شکل 1-9 اثر تزریق سیال در گسترش ترک 13 شكل1-10 مدل هندسه شكست KGD 19 شكل 1-11 مدل هندسه شكست PKN 20 شکل 2-1 : شکست نرم و شکست ترد 26 شکل 2-2 : شکست ترد 27 شکل 2-3 : حالت شکست در نمونه های سنگی 28 شکل 2-4 : انواع مود بازشدگی ترک 29 شکل 2-5- ترک میانی در صفحه نامحدود 30 شکل 2-6- ترک میانی در صفحه با عرض محدود 31 شکل 2-7- ترک کناری در صفحه نامحدود 31 شکل 2-8- ترک میانی در نوار با عرض محدود 31 شکل 2-9- ترک لبه ای در یک تیر با پهنای B تحت خمش 31 شکل 2-10- تیر نازک دونیم شده (تنش صفحه ای) 32 شکل 2-11- قطعه متراکم تحت کشش 32 شکل 2-12- موقعیت تنش های موضعی نزدیک نوک ترک 34 شکل 2-13-ترک میانی در صفحه بی نهایت 35 شکل 2-14- المان محاسبه جابجایی گره ها 38 شکل 2-15- تکنیک اصلاح شده بستار ترک 39 شكل 2-16 منحني تنش- كرنش در بارگذاري و باربرداري 41 شكل 2-17 كار و كار مكمل در حالت هاي بار- كنترل و جابجايي- كنترل 42 شكل 2-18 ناحيه پلاستيك نوك ترك 43 شكل 2-19 كانتور انتخابي براي محاسبه انتگرال J 44 شكل 2-20 كانتورهاي اطراف نوك ترك 46 شکل 2-21- گره هایی که نیاز به غنی سازی جهت افزایش درجات آزادی دارند 54 شکل 2-22- مجموعه المانی مربوط به گره 1 ام به دو سطح، نسبت به موقعیت ترک 58 شکل 2-23 دستگاه مختصات نرمال- مماسی برروی ترک 59 شکل 2-24 مسیر رشد ترک در المان های چسبنده 60 شكل 3-1 نمايش طرح وار اجزاي مدل ژئومكانيكي مخزن 64 شكل 3-2 نمايي از تنشهاي اصلي در يك سيستم مختصات قائم 66 شکل3-3 نقشه تنش ایران و نواحی اطراف آن 68 شکل3-4 موقعیت مخزن هنگام 70 شکل3-5 موقعیت سازند های منطقه 72 شکل3-6 موقعیت چاه و لایه بندی مخزن 73 شکل 3-7 نمودار روند ساخت مدل ژئومکانیکی 74 شکل3-8 پنجره ایمن وزن گل حفاري 79 شکل 3-9 لاگ پارامترهای ژئومکانیکی مخزن 82 شکل 3-11 وضعیت تنش های در ایجاد انواع مختلف گسل در زمین 84 ﺷﮑﻞ 3- 12 شکست فشاری اﯾﺠﺎد ﺷﺪه در دﯾﻮاره ﭼﺎه 86 شکل 3-13 برک اوت اصلی در چاه هنگام 3 88 شکل 3-14 تخمین جهت تنش اصلی مینیمم از برک اوت ها در چاه هنگام سه 89 شکل 3-15 برک اوت اصلی در چاه بوخای غربی دو 89 شکل 3-16 مقطع چاه بوخای غربی دو و برک اوت های ایجاد شده 90 شکل 3-17 تخمین جهت تنش افقی مینیمم از برک اوت ها در چاه بوخای غربی دو 90 شکل 3-18 شکستگی های ایجاد شده در چاه هنگام سه 91 شکل 3-19 تخمین جهت تنش افقی ماکزیمم 91 شکل3-20 جهات سطوح بالقوه شکست در یک گمانه 96 شکل3-21 تنش های القایی اطراف چاه 97 شکل3-22 تاثیر تنش های القایی با فاصله گرفتن از مرز چاه 98 شکل3-23 ایجاد ترک کششی در دیواره چاه 98 شکل3-24 شکستگی ایجاد شده در دیواره با توجه به محاسبات و نمودار لاگ 101 شکل4-1 نمایش خانواده المان ها 106 شکل 4-2 نمایش المان های خطی، مرتبه 2 و هرمی 107 شکل4-3 ابزار برش اولیه در چاه 110 شکل 4-4 نمایی از نیمی از محیط و اعمال نیروها و شرایط مرزی در نرم افزار 110 شکل4-5 المان بندی کلی نمونه 111 شکل4-6 نمایی از مش بندی ترک و نمونه 111 شکل 4-8 بررسی های ازمایشگاهی از مدل گسترش ترک 117 شکل4-9 نمایی از بازشدگی ترک و تنش های اطراف نوک ترک 117 شکل4-10 میزان بازشدگی ترک 118 فهرست جداول و نمودار ها جدول3-1 تخمین مقاومت فشاری تک محوره در لایه آهکی شیلی 77 جدول 3-2 فشار سیال حفاری بر حسب مگا پاسگال 79 جدول3-3 میزان فشار سازندی مخزن برخسب مگاپاسگال 80 جدول3-4 پارامترهای ژئومکانیکی مخزن 81 جدول 3-5 روشهاي تجربي تخمين Shmin 93 جدول 4-6 مقادیر تنش های اصلی بر حسب مگا پاسگال 96 جدول3-7- وضعیت و نوع مدل های شکست برشی براساس تنش های القایی 101 جدول3-8- وضعیت و نوع مدل های شکست کششی براساس تنش های القایی 102 جدول3-9 مقادیر تنش های القایی بر حسب مگا پاسگال 102 جدول3-10 میزان تخلخل و اشباع آب در لایه های مختلف سازند های 103 جدول4-1 پارامترهای ژئومکانیکی سازند ایلام 109 نمودار 4-1 تغییرات تنش افقی ماکزیمم نسبت به فاکتور شدت تنش 114 نمودار 4-2 تغییرات تنش افقی مینیمم نسبت به فاکتور شدت تنش 114 نمودار 4-3 نسبت تنش افقی ماکزیمم به تنش افقی مینیمم نسبت به فاکتور شدت تنش 114 نمودار 4-4 تغییرات تنش عمودی نسبت به فاکتور شدت تنش 115 نمودار 4-5 تغییرات زاویه ترک با چاه نسبت به فاکتور شدت تنش 115 نمودار 4-6 تغییرات زاویه چاه نسبت به فاکتور شدت تنش 115 نمودار 4-7 حداقل فشار لازم جهت رشد شکاف بر زاویه چاه 116 نمودار 4-8 تاثیر شعاع ترک اولیه بر فاکتور شدت تنش 116 نمودار4-9 تنش عمودی بر صفحه ترک نسبت به بازگشایی ترک 118 نمودار4-10 میزان فشار تزریق بر صفحه ترک نسبت به بازگشایی ترک 118 مقدمه مقدمه شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از روشهای کلیدی استخراج منابع گاز و نفت برای سالها مورد توجه بوده است، شکست هیدرولیکی فرآیند ایجاد ترک در سازنده های زیرزمینی به منظور افزایش نفوذپذیری جهت استخراج بیشتر نفت و گاز طبیعی بوسیله ایجاد فشار سیال در مقطعی از چاه است، (شکل 1-1) آب به همراه ماسه و دیگر افزودنی ها تحت فشار زیاد به درون سازند پمپاژ میشود، سیال تزریقی معمولاً شامل حدود 98% آب و ماسه به همراه مقدار کمی افزودنی های با کاربرد خاص است، شکستگی های جدید ایجاد شده توسط ماسه باز نگه داشته میشوند که اجازه میدهد تا نفت و گاز طبیعی به درون چاه جریان یافته و به سطح زمین برسد. [1] شکل 1-1 شمایی از یک عملیات شکاف هیدرولیکی[1] شکست هیدرولیکی در نفت به منظور ایجاد ترک با هندسه مشخص و فشار محاسبه شده است ﻻزم ﺑﻪ ذﮐﺮ اﺳﺖ ﮐﻪ روش ﺷﮑﺴﺖ ﻫﯿﺪروﻟﯿﮑﯽ در ﺻﻨﺎﯾﻊ دﯾﮕﺮ ﻫﻤﺎﻧﻨﺪ اﺳﺘﺨﺮاج اﻧﺮژي زﻣﯿﻦ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ، دﻓﻦ زﺑﺎﻟﻪﻫﺎي اﺗﻤﯽ در ﺳﺎزﻧﺪﻫﺎي ﮐﻢ ﻋﻤﻖ، ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ، ﭘﺮوژهﻫﺎي ژﺋﻮﺗﮑﻨﯿﮑﯽ ﺗﺰرﯾﻖ دوﻏﺎب، آزﻣﺎﯾﺶﻫﺎي ﻧﻔﻮذﭘﺬﯾﺮي، ﺗﺰرﯾﻖ ﭼﺎﻫﻬﺎي ﻋﻤﯿﻖ و ﺳﺎﺧﺖ ﺳﺪﻫﺎ اﻧﺪازهﮔﯿﺮي ﺗﻨﺶﻫﺎي ﺑﺮﺟﺎ، ﻓﻌﺎﻟﯿﺖﻫﺎي ﻣﻌﺪﻧﯽ و ﻣﺪﻟﺴﺎزي ﭘﺪﯾﺪهﻫﺎي زﻣﯿﻦﺷﻨﺎﺳﯽ ﺑﺰرگ ﻣﻘﯿﺎس، ﻫﻤﺎﻧﻨﺪ ﻧﻔﻮذ داﯾﮏ ﻣﻮرد بیان مسئله و ضرورت انجام تحقیق اهمیت اقتصادی فناوری شکست هیدرولیکی در صنایع نفت و گاز، موجب گردیده است که طی موفقیت یا ناکامی تکنولوژی شکست هیدرولیکی بسیار وابسته به طراحی هندسه شکست و بهینه سازی فرآوری های سازگار با شرایط بر جا ی مخزن است. کنترل تعداد و مسیر شکستگی ها از اهمیت زیادی در اجرای موفق شکست هیدرولیکی برخوردار است، با توجه به هزینه های بالای صدمات ناشی از ناپایداری در شیل، درک و پیش بینی صحیح هندسه و مکانیزم شکستگی در عملیات شکست هیدرولیکی موجب صرفه جوبی زیادی در فرآیند تکمیل چاه و بهره برداری خواهد داشت، توانایی کنترل طول، عرض، ارتفاع، و میزان بازشدگی دهانه ترک، موجب افزایش بهره برداری و سوددهی بیشتر خواهد شد.[4] و[5] روش شكست هيدروليكي علاوه بر بررسی تنش های منطقه ای حول چاه سهم قابل توجهي در افزايش توليد ميزان نفت و گاز و منبع قابل بازيافت داشته است. از سال 1947 (اولين شكست هيدروليكي) تا سال 1981 بيش از 800000 مورد شكست هيدروليكي انجام شده است و تا سال 1988 اين تعداد افزايش يافته و از يك ميليون تجاوز نموده است و در حال حاضر استفاده از اين روش به شدت اوج گرفته است. حدود 35 تا 40 درصد چاههايي كه فعلاً حفر شده اند بصورت هيدروليكي شكاف دار شدند و حدود 25 تا 30 درصد كل ذخائر نفتي ايالات متحده توسط اين روش بصورت اقتصادي قابل توليد گشته اند. شكست هيدروليكي عامل افزايش ذخائر نفتي آمريكاي شمالي به ميزان 8 ميليارد بشكه مي باشد.[6] شکل 1-2: نمودارتخمین مقدار هزینه اختصاص یافته به عملیات شکست هیدرولیکی[6] ﺗﺎﺭﻳﺨﭽﻪ و روش انجام عملیات شکست هیدرولیکی ﻫﻮﺑﺮﺕ ﻭ ﻭﻳﻠﻴﺰ ﺗﻮﺳﻂ ﻳﻜﺴﺮﻱ ﺁﺯﻣﺎﻳﺶ ﻧﺘﻴﺠﻪ ﮔﺮﻓﺘﻨﺪ ﻛﻪ ﺑﺪﻭﻥ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻧﻔﻮﺫﭘﺬﻳﺮ ﻳﺎ ﻧﻔﻮﺫﻧﺎﭘﺬﻳﺮ ﺑﻮﺩﻥ ﺳﻴﺎﻝ، ﺷﻜﺴﺘﮕﻴﻬﺎ ﺗﻘﺮﻳﺒﺎ ﻋﻤﻮﺩ ﺑﺮ ﻣﺤﻮﺭ ﻛﻤﺘﺮﻳﻦ ﺗﻨﺶ ﺍﻳﺠﺎﺩ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. ﺩﻟﻴﻞ ﺁﻧﻬﺎ ﺁﻥ ﺑﻮﺩ ﻛﻪ ﺷﺮﺍﻳﻂ ﻛﻠﻲ ﺗﻨﺶ ﺩﺭ ﺯﻳﺮ ﺯﻣﻴﻦ ﻫﻴﺪﺭﻭﺍﺳﺘﺎﺗﻴﻚ ﻧﻴﺴﺖ. ﺁﻧﻬﺎ ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﻋﻨﻮﺍﻥ ﻛﺮﺩﻧﺪ ﻛﻪ: ﺩﺭ ﻫﺮ ﺑﺨﺶ ﺍﺯ ﮔﻤﺎﻧﻪ ﺑﺎ ﻃﻮﻝ ﭼﻨﺪ ﺩﻩ ﻓﻮﺕ ﻣﻤﻜﻦ ﺍﺳﺖ ﺩﺭﺯﻩﻫﺎﻱ ﺯﻳﺎﺩﻱ ﻭﺟﻮﺩ ﺩﺍﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ، ﺑﻨﺎﺑﺮﺍﻳﻦ، ﻭﺍﺿﺢ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﻣﻘﺎﻭﻣﺖ ﻛﺸﺸﻲ ﺍﻛﺜﺮ ﺳﻨﮕﻬﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺗﻮﺳﻂ ﻓﺸﺎﺭ ﺍﻋﻤﺎﻟﻲ ﺩﺭ ﮔﻤﺎﻧﻪ، ﺗﺤﺖ ﻓﺸﺎﺭ ﻫﻴﺪﺭﻭﻟﻴﻜﻲ ﻗﺮﺍﺭ ﻣﻲﮔﻴﺮﻧﺪ، ﺗﻘﺮﻳﺒﺎ ﺻﻔﺮ ﺍﺳﺖ ﻭ ﻓﺸﺎﺭ ﻣﻮﺭﺩ ﻧﻴﺎﺯ ﺑﺮﺍﻱ ﺍﻳﺠﺎﺩ ﺟﺪﺍﻳﺶ ﺩﺭ ﺳﻨﮓ ﻓﻘﻂ ﺁﻥ ﻣﻘﺪﺍﺭﻱ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺮﺍﻱ ﻛﺎﻫﺶ اولین عملیات شکست هیدرولیکی در سال 1947 و در سازند گازی هیوگاتن در کانزانس انجام شد. در اواسط سال 1960 از آب به شکل 1-3 نمایی از قرار گرفتن پکر ها و انجام شکست در قسمت های مختلف چاه[8] تفسیر عملیات شکست هیدرولیکی در عملیات شکست هیدرولیکی ﻭﻗﺘﻲ ﻓﺸﺎﺭ ﺩﺭ ﺳﻄﺢ ﺯﻣﻴﻦ ﺛﺒﺖ ﺷﺪ، ﻓﺸﺎﺭ ﺩﺭ ﻧﺎﺣﻴﻪ ﺁﺯﻣﺎﻳﺶ ﺑﻪ ﺁﺭﺍﻣﻲ ﺍﻓﺰﺍﻳﺶ ﻣﻲﻳﺎﺑﺪ ﺗﺎ ﺍﺗﻼﻑ ﻓﺸﺎﺭ ﺩﺭ ﻟﻮﻟﻪ ﺑﻪ ﺣﺪﺍﻗﻞ ﺑﺮﺳﺪ. ﻭﻗﺘﻲ ﻓﺸﺎﺭ ﺩﺭ ﻧﺎﺣﻴﻪ ﺁﺯﻣﺎﻳﺶ ﺛﺒﺖ ﺷﺪ، ﺍﺗﻼﻑ ﻓﺸﺎﺭ ﭼﻨﺪﺍﻥ ﻣﻬﻢ ﻧﻴﺴﺖ. ﺍﺳﺘﺎﻧﺪﺍﺭﺩﻱ ﺑﺮﺍﻱ ﺷﺪﺕ ﺍﻋﻤﺎﻝ ﻓﺸﺎﺭ ﻭﺟﻮﺩ ﻧﺪﺍﺭﺩ، ﻫﺮﭼﻨﺪ ﻛﻪ ﻣﺤﺪﻭﺩﻩ ﭘﻴﺸﻨﻬﺎﺩﻱ 1/0 ﺗﺎ 2 ﻣﮕﺎﭘﺎﺳﻜﺎﻝ ﺑﺮ ﺛﺎﻧﻴﻪ ﺍﺳﺖ. ﺷﺪﺕ ﺍﻋﻤﺎﻝ ﻓﺸﺎﺭ ﺗﻮﺳﻂ ﺷﺪﺕ ﺟﺮﻳﺎﻥ ﺛﺎﺑﺖ ﻛﻨﺘﺮﻝ ﻣﻴﺸﻮﺩ. ﺷﺪﺕ ﺟﺮﻳﺎﻥ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﺑﺮﺍﻱ ﺩﺳﺘﻴﺎﺑﻲ ﺑﻪ ﺳﺮﻋﺖ ﻓﺸﺎﺭ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﻭﺍﺑﺴﺘﻪ ﺑﻪ ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ ﺗﺮﺍﻛﻢﭘﺬﻳﺮﻱ ﺳﻴﺴﺘﻢ ﺁﺯﻣﺎﻳﺶ ﺍﺳﺖ، ﻛﻪ ﺍﻻﺳﺘﻴﺴﻴﺘﻪ ﻟﻮﻟﻪ، ﻃﻮﻝ ﻟﻮﻟﻪ، ﺗﺮﺍﻛﻢ ﭘﺬﻳﺮﻱ ﺳﻴﺎﻝ ﻭ ﺣﺠﻢ ﺳﻴﺎﻝ ﺩﺭ ﺳﻴﺴﺘﻢ ﺭﺍ ﻣﻨﻌﻜﺲ ﻣﻴﻜﻨﺪ. ﺑﻄﻮﺭﻛﻠﻲ، ﺁﺯﻣﻮﻥ ﺑﺎ ﻟﻮﻟﻪ ﻫﺎﻱ ﻗﻄﻮﺭ، ﺷﺪﺕ ﺟﺮﻳﺎﻧﻬﺎﻱ ﺑﺎﻻﺗﺮﻱ ﺭﺍ ﺩﺭ ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﺑﺎ ﺁﺯﻣﻮﻧﻬﺎﻱ ﻛﻢﻋﻤﻖ ﺑﺎ ﻟﻮﻟﻪﻫﺎﻱ ﻛﻢ ﻗﻄﺮﺗﺮ ﻧﻴﺎﺯ ﺩﺍﺭﺩ. ﻓﺸﺎﺭ ﭘﻜﺮ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﻪ ﺍﻧﺪﺍﺯﻩ ﻛﺎﻓﻲ ﻛﻤﺘﺮ ﺍﺯ ﻓﺸﺎﺭ ﮔﺴﻴﺨﺖ ﺑﺎﺷﺪ ﻭ ﺳﺮﻋﺖ ﺍﻓﺰﺍﻳﺶ ﻓﺸﺎﺭ ﭘﻜﺮ ﺑﺎﻳﺪ ﻣﺸﺎﺑﻪ ﺷﺪﺕ ﺳﺮﻋﺖ ﺗﺰﺭﻳﻖ ﺑﺎﺷﺪ. ﺍﻳﻦ ﻋﻤﻞ ﺍﻣﻜﺎﻥ ﺍﻳﺠﺎﺩ ﺷﻜﺴﺘﮕﻲ ﺗﻮﺳﻂ ﻓﺸﺎﺭ ﭘﻜﺮ ﺭﺍ ﻛﺎﻫﺶ ﻣﻴﺪﻫﺪ. ﺗﻐﻴﻴﺮﺍﺕ ﻓﺸﺎﺭ ﺑﺮﺣﺴﺐ ﺯﻣﺎﻥ ﺛﺒﺖ ﻣﻴﺸﻮﺩ. ﻭﻗﺘﻲ ﻓﺸﺎﺭ ﺍﻓﺰﺍﻳﺶ ﻣﻲﻳﺎﺑﺪ، ﺗﻨﺸﻬﺎﻱ ﻣﻮﺛﺮ ﻋﻤﻮﺩﻱ ﻭ ﻣﻤﺎﺳﻲ، ﻫﺮﺩﻭ، ﻣﻤﻜﻦ ﺍﺳﺖ ﻛﺸﺸﻲ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﺍﮔﺮ ﺗﻨﺶ ﻛﺸﺸﻲ ﺍﻟﻘﺎﻳﻲ ﺑﻪ ﻣﻘﺎﻭﻣﺖ ﮔﺴﻴﺨﺘﮕﻲ ﭼﺎﻝ ﺑﺮﺳﺪ، ﺷﻜﺴﺖ ﺍﻳﺠﺎﺩ ﻣﻴﺸﻮﺩ. ﻋﻠﺖ ﺷﻜﺴﺖ ﻣﻤﻜﻦ ﺍﺳﺖ ﺍﺯ ﻣﻨﺤﻨﻲ ﻓﺸﺎﺭ-ﺯﻣﺎﻥ ﺑﺪﺳﺖ ﻣﻘﺎﻭﻣﺖ ﻛﺸﺸﻲ ﺗﻮﺩﻩ ﺳﻨﮓ ﻣﻤﻜﻦ ﺍﺳﺖ ﺍﺯ ﺁﺯﻣﻮﻧﻬﺎﻱ ﺁﺯﻣﺎﻳﺸﮕﺎﻫﻲ، ﺭﻭﻱ ﻣﻐﺰﻩ ﻫﺎﻱ ﺣﻔﺎﺭﻱ ﺗﺨﻤﻴﻦ ﺯﺩﻩ ﺷﻮﺩ، ﻭ ﻳﺎ ﺗﻮﺳﻂ ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﻓﺸﺎﺭﮔﺴﻴﺨﺖ ﺷﻜﺴﺘﮕﻲ ﺑﺎ ﻓﺸﺎﺭﻫﺎﻱ ﺑﺎﺯﮔﺸﺎﻳﻲ ﺑﻌﺪﻱ ﺁﻥ ﺗﻌﻴﻴﻦ ﺷﻮﺩ. ﺍﺧﺘﻼﻑ ﺑﻴﻦ ﺩﻭ شکل 1-4 نمودار توالی بارگذاری بار برداری در عملیات شکست هیدرولیکی[9] بعد از رسیدن فشار هیدرولیک به حد فشار شکست آنی و شکسته شدن سنگ تحت کشش از سیال درون چاه کاسته و فشار افت می کند. پس از متوقف کردن پمپاژ فشار در ابتدا همزمان با کاهش سیال و گسترش شکاف با سرعت زیاد و سپس با بسته تر شدن شکاف و تنها هرز رفتن سیال به علت ورود به سنگ از طریق دیواره چال با سرعت بسیار کندتر افت می کند. فشار انسداد سطح فشار میان دو حالت افت سریع و کند بوده و نشان دهنده بسته شدن شکاف است. چند دقیقه بعد از فاز انسداد فشار ازمایش کاسته شده و اولین چرخه فشار تکمیل شده.چرخه های اظافی متعددی انجام می گردد که از طریق ان ها مقادیر بارگشایی مجدد شکست طی ازمایش فشار و نرخ جریان سیال تزریقی به صورت متوالی ثبت می شوند.[10] شکست با فشار( عوامل تاثیر گذار بر عملیات شکست هیدرولیکی برای یک عملیات شکست هیدرولیکی مناسب باید به عوامل تأثیرگذار بر این روش توجه داشت، در ادامه این عوامل به تفضیل توضیح داده شده است. بررسی توزیع تنش های اطراف چاه این عامل به عنوان یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر شکست هیدرولیکی مطرح میباشد، چرا که جهت و راستای ایجاد و انتشار شکست وابستگی بسیار زیادی به تنش های اصلی دارد. هابرت و ویلیس به صورت تحلیلی نشان دادند که شکست هیدرولیکی به وسیله ترک های کششی در جهت تنش اصلی حداکثر فشاری ایجاد می گردد ، مطابق این تئوری برای شکست هیدرولیکی، فشار گسیختگی سنگ شکست از رابطه زیر بدست خواهد آمد: [13] (1-1) که σ3 و σ1 حداکثر و حداقل تنش فشاری و T مقاومت کششی سنگ و po فشار سازند می باشد. همچنین براساس این تئوری در مهندسی معدن، عمران و نفت برای اندازه گیری تنش تکنونیکی از روش شکست هیدرولیکی استفاده شده است، در رابطه فشار گسیختگی سنگ، هابرت و ویلیس فرض شده که سیال به داخل ماتریس سنگ اطراف چاه تراوش نمیکند، چشم پوشی از تراوش سیال منجر به تخمین اضافی برای تنش اصلی حداکثر می شود، همیسون برای حل این موضوع به صورت تئوری رابطه زیر را ارائه کرده است که نفوذ سیال در محیط را نیز به حساب می آورد.[14.15.16] (1-2) که α ضریب بایوت و νضریب پواسون سنگ می باشد. شکل 1-5: روش شکست هیدرولیکی و اثر تنش های منطقه ای[16] چان ژی و همکاران تاثیر تنش های زمین را روی شکست هیدرولیکی چاه گاز متان بررسی نمودند، با توجه به اینکه بیشتر مخازن زغال در چین نفوذپذیری کمی دارند، به همین دلیل شکست هیدرولیکی به طور وسیعی برای بهبود و افزایش نفوذپذیری و در نتیجه افزایش تولید گاز در حفاری ها بکار گرفته شده است، تاثیر تنش های تفاضلی روش شکست هیدرولیکی با استفاده از نرم افزار عددی RFPA2d ، با توجه به تنشهای تکتونیکی در منطقه زغال سنگ جین چنگ ، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است، نتایج نشان داد موقعیتی که شروع شکاف ظاهر میگردد، تصادفی بوده و هنگامیکه تنش های زمین در هر دو جهت صفحه افقی مساوی باشند، با گسترش شکاف ها شکست شاخه ای پدیدار میگردد، در غیر این صورت، گسترش شکست در امتداد جهت حداکثر تنش زمین بوده و فشار شروع شکست با افزایش تفاضل تنش های افقی کاهش می یابد.[17] ژانگ و همکاران وضعیت تنش زمین روی جهت شکست به صورت مستقیم اثر میگذارد. (شکل 1-6) اثر انواع شرایط شکل 1-6: اثر رژیم تنش روی جهت گسترش ترک[18] شکل 1-7: شکست گسترش یافته مدل شده و حقیقی [18] نتایج نشان میدهد که تنش اثر سیال و افزاینده ها درعملیات شکست هیدرولیکی فاکتور مهم دیگر، ویژگی های ترکیب سیال تزریق به کار رفته در عملیات شکست هیدرولیکی می باشد، چرا که نرخ مصرف و نفوذ سیال به سازند و هم چنین فشار لازم جهت ایجاد شکست ارتباطی مستقیم با ویژگی های سیال از جمله ویسکوزیته دارد، در شکست هیدرولیکی فشار سیال تزریق نقش تأمین کننده برای فشار لازم برای ایجاد شکست را دارد این سیال باید ویژگی های زیر را به خوبی ارضا کند: 1- ایجاد و انتشار شکاف هیدرولیکی 2- توسعه پهنای شکاف هیدرولیکی 3- انتقال پروپانت ها در سراسر طول شکاف هیدرولیکی 4- به آسانی از سازند خارج گردد و نیز با سازند مخزن سازگاری لازم را داشته باشد نرخ نشت سیال موجب می گردد تا سیال بتواند به خوبی شکاف را باز کند و نیز گسترش سطحی آن را کنترل کند، نرخ نفوذ وابسته به ویسکوزیته و خواص شکاف می باشد، این دو ویژگی به عنوان عامل های کنترل کننده سطح شکاف، مطرح شده اند. ویژگی مهم دیگر سیال توانایی حمل ذرات دانه بندی شده پروپانت می باشد که به وسیله افزاینده ها کنترل می گردد این خاصیت ارتباط تنگاتنگی با ویسکوزیته و چگالی سیال و همچنین سرعت سیال در شکاف دارد.[21] دریافت فایل جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |