پایان نامه مدل سازی رشد ترک در شکست هیدرولیکی به روش المان محدود در چاه های نفت و گاز
فهرست محتوا
چکیده
شکست 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 عمدتاً به صورت نمودار فشار-زمان است که تعیین هندسه ترک و عوامل مؤثر در رشد ترک از این نمودار ممکن نیست. در این راستا بررسی مدلهای 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، پارامترهای ژئومکانیکی و تنشهای منطقهای 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 منطقهای 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 تأثیر عوامل مختلف بر فاکتور شدت تنش به عنوان مهمترین پارامتر گسترش ترک در عملیات شکست هیدرولیکی مورد بررسی قرار گرفت، بیشترین تأثیر را تنشهای منطقه داشته که با افزایش
تنشهای منطقه فاکتور شدت تنش افزایش مییابد. با افزایش زاویه چاه هر چه به سمت افزایش تنشهای منطقهای پیش میرویم درجه فاکتور شدت تنش افزایش مییابد. نحوه ایجاد ترک اولیه نیز تأثیر زیادی در گسترش ترک دارد مثلاً با افزایش زاویه مشبک کاری یا ایجاد ترک اولیه، فاکتور شدت تنش کاهش مییابد. با افزایش شعاع ترک اولیه ضریب شدت تنش افزایش مییابد. همچنین با بررسی اثر فشار تزریق بر گسترش ترک مشاهده شد که هر چه تنشهای منطقهای 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 میدهد. 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- تاریخچه و روش انجام عملیات شکست هیدرولیکی.. 4
- 1-4- تفسیر عملیات شکست هیدرولیکی.. 6
- 1-5- عوامل تأثیر گذار بر عملیات شکست هیدرولیکی.. 9
- 1-5-1- بررسی توزیع تنشهای اطراف چاه 9
- 1-5-2- اثر سیال و افزایندهها درعملیات شکست هیدرولیکی.. 12
- 1-6- مدلهای تحلیلی و عددی در شکست هیدرولیکی.. 15
- 1-7- بررسیمدلسازی های انجام شده هندسهٔ شکست هیدرولیکی 17
- 1-7-1- مدلهای دو بعدی.. 18
- 1-7-2- مدلهای سه بعدی.. 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- تنشهای نوک ترک و مؤلفههای جابجایی.. 34
- 2-8- محاسبه فاکتور شدت تنش…. 37
- 2-8-1- روش همبستگی جابجاییها 38
- 2-8-2- تکنیک اصلاح شده بستار ترک… 39
- 2-9- انتگرال J. 40
- 2-9-1- انتگرال J به عنوان یک انتگرال مستقل از مسیر. 43
- 2-9-2- انتگرال J به عنوان یک پارامتر شدت تنش…. 44
- 2-9-3- حدود انتگرال انرژی.. 45
- 2-10- روش المان محدود. 47
- 2-11- فرآیند تحلیل 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 روش cohesive segment 60
- 2-15-3 تعریف نمایه غنی شده و ویژگیهای 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- اجزای مدل ژئومکانیکی مخزن.. 64
- 3-3- خواص مکانیکی سنگ…. 65
- 3-3-1- خواص الاستیک…. 65
- 3-3-2- خواص مربوط به شکست سنگ…. 65
- 3-3-3- فشار منفذی.. 65
- 3-3-4- میدان تنش…. 66
- 3-4- روش تعیین اجزای مدل ژئومکانیکی مخزن.. 68
- 3-4-1- روش استاتیک (مخرب) 68
- 3-4-2- روش دینامیک…. 69
- 3-5- معرفی میدان نفتی و گازی هنگام. 69
- 3-6- بررسی مسیر و لیتولوژی چاه مورد مطالعه. 70
- 3-7- بررسی پارامترهای 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-محاسبه زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی.. 77
- 3-1- فشار سیال حفاری.. 78
- 3-2- محاسبه فشار منفذی.. 79
- 3-2-1- کاربرد نمودار صوتی.. 80
- 3-2-2- کاربرد نمودار مقاومت ویژه الکتریکی.. 80
- 3-3- نرم افزار Geo log. 80
- 3-4- تنشها در اطراف یک چاه عمودی.. 82
- 3-4-1- جهت تنشهای افقی.. 85
- 3-5- آنالیزجهت تنشهای برجا در منطقه هنگام. 87
- 3-6- محاسبه اندازه تنشهای برجا 92
- 3-6-1- تنش عمودی.. 92
- 3-6-2- تعیین تنش افقی حداقل.. 92
- 3-6-2-1- آزمایشهای میکرو شکست و شکست گسترش یافته. 92
- 3-6-2-2- کاربرد روابط تجربی.. 93
- 3-6-2-3- تعیین تنش افقی حداکثر. 93
- 3-6-2-4- آزمایش شکست هیدرولیکی.. 94
- 3-6-2-5- کاربرد روابط تجربی.. 95
- 3-6-2-6- شکست فشاری.. 95
- 3-7-شکست کششی.. 98
- 3-8- مکانیک شکست سنگ…. 99
- 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 گرهها (مرتبه درون یابی) 106
- 4-1-6- فرمول بندی المانها: 107
- 4-1-7- انتگرال گیری: 108
- 4-2- مدل سازی در نرم افزار Abaqus 108
- 4-3- مدلسازی چگونگی آغاز رشد شکاف… 112
- 4-4- نتایج بدست آمده از تحلیل.. 112
- 4-5- مدلسازی گسترش ترک به روش المان محدود توسعه یافته. 116
مراجع………………………………………………………………….12
فصل 1
مقدمه
1-1- 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 سازندههای 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 افزودنیها تحت فشار زیاد به درون سازند پمپاژ میشود، سیال تزریقی معمولاً شامل حدود 98% آب و ماسه به همراه مقدار کمی افزودنیهای با کاربرد خاص است، شکستگیهای 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]
شکست هیدرولیکی در نفت به منظور ایجاد ترک با هندسه مشخص و فشار محاسبه شده است لذا عوامل اثرگذار روی هندسه ترک و فشار لازم برای گسیختگی باید شناسایی شوند تا نتیجه مطلوب حاصل شود. مهمترین عوامل اثرگذار روی شکست هیدرولیکی وضعیت تنش منطقه، مقاومت کششی، نسبت تخلخل، مدول یانگ، نسبت پوآسون، ویسکوزیته سیال و نرخ تزریق و تأثیر دیگر عوامل بر فاکتور شدت تنش ترک است. از آنجایی که به تنهایی، بررسی یک عامل برای شکستهای انجام شده وجود ندارد در بسیاری از موارد با استفاده از مدلسازی اثر این عوامل بررسی شده است. لازم است مقدار اثر گذاری یک عامل با ثابت ماندن سایر شرایط انجام شود تا نتیجه بهتری حاصل گردد. مقدار عوامل اثرگذار تحت شرایط مختلف تغییر میکنند. از جمله این شرایط عمق، جهت، نوع و شرایط مدلسازی است که در نهایت تغییر مقادیر روی خروجی شکست هیدرولیکی اثر خواهد گذاشت. [2]
لازم به ذکر است که روش شکست هیدرولیکی در صنایع دیگر همانند استخراج انرژی زمین گرمایی، دفن زبالههای اتمی در سازندهای کم عمق، مهندسی محیط زیست، پروژههای ژئوتکنیکی تزریق دوغاب، آزمایشهای نفوذپذیری، تزریق چاههای عمیق و ساخت سدها اندازهگیری تنشهای برجا، فعالیتهای معدنی و مدلسازی پدیدههای زمینشناسی بزرگ مقیاس، همانند نفوذ دایک مورد استفاده قرار میگیرد. علیرغم وجود درک ضعیف از مکانیزم شکست هیدرولیکی در درون مخزن، بعضی از اولین تلاشها موفق شدند تا تولید از چاههای تحریک شده توسط این روش را تا 60% افزایش دهند. در نتیجه سود قابل توجه ناشی از افزایش برداشت، سبب تشویق شرکتهای نفتی برای انجام تحقیقات بیشتر در این زمینه شد. در طول 50 سال گذشته پروژههای تحقیقاتی فراوانی برای دستیابی به درک صحیحی از فرآیند شکست هیدرولیکی، شناسایی محدودیتها و قابلیت کاربرد آن در شرایط مختلف انجام پذیرفته است. [3]
1-2- بیان مسئله و ضرورت انجام تحقیق
روند رو به رشد صنایع مختلف، افزایش مصرف انرژیهای فسیلی و همچنین قیمت قابل توجه نفت موجب گردیده است تا کشورهای دارای نفت، خواهان توسعهٔ روشهایی باشند که بتوان حداکثر ذخایر هیدروکربنی موجود در مخزن را استخراج نمود. هیدروکربن موجود در مخزن با توجه به فشار بالای آن در مراحل اولیه، بدون پمپاژ قابل استخراج است، ولی با ادامهٔ برداشت، فشار مخزن کاهش یافته و در نتیجه میزان هیدروکربن وارد شونده به چاه نیز کاهش مییابد. در یک سری از مخازن نیز به دلیل نفوذپذیری پایین مخزن، میزان هیدروکربن تولیدی توجیه اقتصادی ندارد. بدین منظور روشهای مختلف تحریک مخزن، به منظور ازدیاد برداشت، توسعه داده شدهاند. افزایش تولید از چاه، دورة بازگشت سرمایه را سرعت میبخشد و به طور جدی هزینهٔ تولید را کاهش میدهد. همچنین سودهای قابل توجهی که با تولید نفت ایجاد میشود، باعث شده که هنوز در این صنعت، انگیزة کافی برای حمایت از جدیدترین یافتههای علمی در زمینهٔ روشهای تحریک مخزن وجود داشته باشد. روشهای تحریک مخزن شامل تزریق آب، تزریق گاز، اسیدکاری، روشهای گرمایی، روشهای شیمیایی، شکست هیدرولیکی و … هستند.[4]
اهمیت اقتصادی فناوری شکست هیدرولیکی در صنایع نفت و گاز، موجب گردیده است که طی چند دهه گذشته تلاشهای فراوانی در حوزه مدلسازی فرآیند شکست هیدرولیکی صورت پذیرد. طبیعتاً، تلاشهای اولیه بر روی تحلیل تئوریک این فرآیند متمرکز شدند که با توجه به پیچیدگیهای مسئله معمولاً به ترکها با هندسههای ساده (یا به صورت کرنش مسطح یا با تقارن محوری) محدود میشدند. اما محدودیتهای نمونههای تحلیلی به تدریج تمرکز تحقیقات را به سمت تهیه الگوریتمهای عددی سوق دادند، به طوری که از این الگوریتمهای عددی غالباً به منظور مدلسازی گسترش سه بعدی شکستهای هیدرولیکی در ذخایر زیرزمینی، استفاده میشود. مدلسازی رفتار شکست به دو صورت دوبعدی و سه بعدی میتواند انجام شود. [5]
موفقیت یا ناکامی تکنولوژی شکست هیدرولیکی بسیار وابسته به طراحی هندسه شکست و بهینه سازی فرآوریهای سازگار با شرایط بر جای مخزن است. کنترل تعداد و مسیر شکستگیها از اهمیت زیادی در اجرای موفق شکست هیدرولیکی برخوردار است، با توجه به هزینههای 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 شکست هیدرولیکی علاوه بر بررسی تنشهای منطقهای حول چاه سهم قابل توجهی در افزایش تولید میزان نفت و گاز و منبع قابل بازیافت داشته است. از سال 1947
(اولین شکست هیدرولیکی) تا سال 1981 بیش از 800000 مورد شکست هیدرولیکی انجام شده است و تا سال 1988 این تعداد افزایش یافته و از یک میلیون تجاوز نموده است و در حال حاضر استفاده از این روش به شدت اوج گرفته است. حدود 35 تا 40 درصد چاههایی که فعلاً حفر شدهاند بصورت هیدرولیکی شکاف دار شدند و حدود 25 تا 30 درصد کل ذخائر نفتی ایالات متحده توسط این روش بصورت اقتصادی قابل تولید گشتهاند. شکست هیدرولیکی عامل افزایش ذخائر نفتی آمریکای شمالی به میزان 8 میلیارد بشکه میباشد. [6]
صدمه شدید وارد شده به مخزن و یا عدم کارایی استفاده از روش شکست اسیدی زمینههایی جهت استفاده از روش شکست هیدرولیکی در مخازن کربناته ایران ایجاد نموده است. اگرچه فرآیند شکافت هیدرولیکی در مخازن شکاف دار دنیا نیز بارها با موفقیت به اجرا درآمده است، ولی در ایران احتمالاً شکاف دار بودن مخازن و دبی بالای چاه، عامل اصلی مغفول ماندن از این فرآیند، حتی در بخش تحقیقات میباشد. مطالعه تجربیات دنیا نشان میدهد که موفقیت در عملیات، وابسته به انجام مطالعات دقیق ژئومکانیکی و آزمایشهای میدانی از قبیل آزمایش میکروشکافت میباشد که جایگاه آن در شرکتهای متولی این امر در ایران رو به گسترش است.
1-3- تاریخچه و روش انجام عملیات شکست هیدرولیکی
روش شکست هیدرولیکی در گمانه، تحرک خوبی در صنعت نفت بود. روش اعمال فشار در گمانه برای ایجاد شکست در سنگ اولین بار توسط کلارک[1] بنا نهاده شد. روش شکست هیدرولیکی که در آن زمان هیدرو فرک گفته میشد دارای دو مرحله بود: 1- تزریق سیال ویسکوز دارای مواد دانهای مثل ماسه، تحت فشار هیدرولیکی بالا برای شکست سازند. 2-کاهش ویسکوزیته سیال بطوریکه بتواند به راحتی از سازند خارج شود. در سال 1940 تصور کلی از شکست هیدرولیکی آن بود که فشارسیال، سازند را در طول یک صفحه لایهبندی جدا میکند و روباره را به بالا میفشارد، بدون توجه به این حقیقت که فشار سیال خیلی کمتر از وزن روباره است. چند سال بعد، اسکات، بردن و هاوارد[2]یکسری تست آزمایشگاهی روی مغزههای استوانهأی انجام دادند و مشاهده کردند که، با سیالهای نفوذپذیر[3]، شکستگیهایی موازی لایهبندی سنگ رخ میدهد، در صورتیکه با سیالهای نفوذناپذیر[4]، شکستگیها موازی محور مغزه ایجاد میشوند. [7]
Abstract
Cracks a hydraulic fracture process in order to extract more oil and gas reservoirs to enhance permeability by causing fluid pressure at some point in the well. Field data on hydraulic fracture operations primarily in the form of pressure-time curve is determined by the geometry of cracks and crack growth factors in this chart is not possible. In this regard, the study of two-dimensional or three-dimensional analytical and numerical models to predict the propagation of cracks is necessary. In this thesis, first we studied the science of fracture mechanics and finite element and finite element methods developed have been discussed. In the next section, since the environment is essential before any cognitive modeling, Geomechanical parameters and regional tensions in the oil and gas reservoirs have been examined during the Persian Gulf. The layer of hydraulic fracture operations due to regional drought and lower water saturation and porosity larger choice Elam in the tank when they are best qualified to perform hydraulic failure. Then the impact of various factors on the stress intensity factor as the most important parameter in the operation of hydraulic fracture propagation of cracks was studied Regional tensions have been most affected by the stress intensity factor increases with increasing regional tensions. Well as the angle increases toward increased regional tensions before going up the stress intensity factor increases. The initial cracks in the propagation of cracks is greatly influenced perhaps by increasing the angle of lattice work or initial cracks, the stress intensity factor will be reduced. Initial Cracks stress intensity factor increases with increasing radius. By examining the effect of injection pressure on the propagation of cracks was observed that the higher injection pressure for opening regional tensions more appropriate, is required. Then the finite element model developed in the direction of crack growth and propagation of cracks was observed that the maximum horizontal stress is always to occur. The Abaqus finite element modeling is performed by software.
Keywords: reservoir geomechanics, hydraulic fracturing, crack growth,
stress intensity factor
[1] -clark 1949
[2] -scot bearden & howard 1953
[3] -penetrating fluids
[4] -non-penetrating fluids
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.