بخشی از مقاله
چکیده
نسبت کرنش جانبی به کرنش محوری مواد را نسبت پواسون 1 گویند که از عوامل دخیل در رفتار ماده در برابر اعمال بار و همچنین از پارامترهای موثر در تعیین گرادیان فشار شکست2 سازند میباشد. فشار شکست سازند یکی از پارامترهای مهم و تاثیرگذار در طراحی شکاف هیدرولیکی به شمار میرود. از آنجایی که انجام عملیات شکاف هیدرولیکی هزینهی زیادی در بر دارد استفاده از مدلسازی عددی جهت محاسبه و تعیین گرادیان فشار شکست سازند ضروری است. در این تحقیق پس از مدلسازی عملیات شکاف هیدرولیکی به کمک نرم افزار المان محدود آباکوس3در یک چاه قائم با عمق مشخص در یکی از میادین جنوب ایران به بررسی تاثیر نسبت پواسون در فرایند شکست هیدرولیکی پرداخته شده است. نتایج حاکی از آن است که با افزایش نسبت پواسون استاتیکی از 0/10 به 0/24، فشار شکست از 22/6114 مگاپاسکال به 22/5695 مگاپاسکال کاهش پیدا کرد.
.1 مقدمه و مبانی نظری
شکست هیدرولیکی یکی از روشهای تحریک مخازن نفت وگاز است که بهمنظور ازدیاد برداشت سیال هیدروکربوری انجام میشود .[1] در روش شکاف هیدرولیکی، سیال مناسب بههمراه مواد افزودنی لازم بهداخل چاه پمپ میشود. با افزایش فشار تا حد بالاتر از مجموع تنشهای برجا و مقاومت کششی سنگ، نواحی اطراف چاه شکسته شده و ترکهایی ایجاد می شود. دبی و فشار زیاد پمپاژ - که از ظرفیت و قدرت تحمل سنگ مخزن بالاتر است - ، باعث شکسته شدن سنگ مخزن گردیده و باعث ایجاد شکافی با دو باله در دو طرف دیواره چاه بهسمت مخزن میباشد .در عمل، روند ایجاد شکاف هیدرولیکی بدین صورت است که در ابتدا در داخل مشبک ها، سیال اولیه که پد4 نام دارد، پمپ میشود. وقتی که فشار به حد کافی بالا رفت، سیال از داخل مشبکها شروع به گسترش بهسمت مخزن میکند. در صورتیکه پمپاژ بعد از ایجاد شکاف قطع گردد بهتدریج فشار داخل آن کاهش یافته و بهآرامی بسته میشود. بنابراین در مرحلهی بعد برای جلوگیری از بسته شدن شکاف، مخلوطی از سیال و ماسههای دانهبندی شده که در اصطلاح به آن پروپانت گفته می شود بهداخل شکاف پمپ شده و در نهایت شکافهایی با تراوایی بالا ایجاد میشود. در حقیقت، شکاف هیدرولیکی دستهای از شکافهای کششی هستند و گسترش آنها نتیجهی شکست کششی سنگ در دیواره چاه میباشد. در عمل، در یک چاه عمودی شکاف حاصل شده در جهت تنش افقی حداقل باز شده و در جهت تنش افقی حداکثر گسترش مییابد. در صورتیکه عملیات شکاف هیدرولیکی با موفقیت انجام شود، میزان تولید می تواند تا 10 برابر افزایش یابد.آنچه امروزه به عنوان عملیات شکاف هیدرولیکی نامیده میشود برای اولین بار در سال 1930 توسط شرکت دوکمیکال1در صنعت نفت و گاز مورد استفاده قرار گرفت .[3] آنها دریافته بودندکه با ایجاد فشاری بالا در ته چاه میتوانند در سنگ شکاف بوجود آورند. در آن زمان این شرکت از این عملیات استفاده کرد تا بازده اسیدکاری خود را بالا ببرند. اولین عملیات شکاف هیدرولیکی بدون اسید در سال 1947 در چاه گازی در میدان هوگتون2 در ایالت کانزاس3 آمریکا انجام شد تا نتایج حاصل از آن با اسیدکاری رایج مقایسه شود .
تحقیقاتی که در زمینه مدلسازی شکست هیدرولیکی در سال های اخیر انجام شده است و از آن جمله میتوان به شبیهسازی شکست هیدرولیکی - آداچی4 و همکاران، [4] - 2007، مدلسازی ویسکوز شکست هیدرولیکی - چن5، - 2012، ایجاد ایجاد و رشد شکاف هیدرولیکی در چاه دایرهای - ژانگ6 و همکاران، [5] - 2011، مدلسازی دو بعدی شکست هیدرولیکی در مقیاس مخزنی - وانگن7، - 2011 اشاره نمود .در زمان حال، شکاف هیدرولیکی در بیشتر چاه های نفت و گاز انجام میشود که می توان دو دلیل عمدهی آن را اولا عبور از ناحیهی آسیبدیدهی اطراف چاه و برگرداندن قابلیت تولید چاه به حالت طبیعی و ثانیا گسترش دادن مسیری در داخل مخزن و افزایش قابلیت تولید دانست.
.2 روش و مراحل تحقیق
-1-2خصوصیات مدل و شبیه سازی
در این مطالعه بهکمک برنامه شبیه ساز عددی آباکوس به بررسی اثر نسبت پواسون بر روی فشار ایجاد شکست پرداخته و به واسطه ی مدلسازی عددی برای ساخت مدل متخلخل و تراوای سنگ مخزن بههمراه سیال پرفشار درون آن برای یک میدان نفتی خاص با ویژگیهای مکانیک سنگی و سیالاتی خاص خود طراحی و پایهریزی شدهاست. شرایط کلی مدل در قالب 5 مرحله هندسه مدل، پارامترهای ورودی، شرایط مرزی، بارگذاری و مشبندی به اختصار تشریح میگردد.
1-1-2 هندسه مدل
قطر چاه 8 1/2 اینچ است که با تبدیل به سیستم متریک معادل 21/6 سانتیمترخواهد بود. ساختار مدل شامل یک بلوک از سنگ در بر گیرنده چاه است با در نظر گرفتن این اصل که در فاصله حدود پنج برابر شعاع یک حفره دایرهای در سنگ، وضعیت تنش اطراف آن بهوضعیت تنشهای برجا میرسد، بهمنظور حصول اطمینان از عملکرد مناسب مدل و با توجه به این که مدلهای ساختهشده بر حسب امتداد حفر، ابعاد متفاوتی دارند، حداقل فاصله مرز مدل تا مرکز چاه 6 برابر شعاع آن در نظر گرفته شده است.
2-1-2 پارامترهای ورودی به نرمافزار
با فرض رفتار الاستیکخطی- پلاستیک دراکر پراگر1 برای سنگ، مقادیر چگالی، تخلخل، گرادیان فشار منفذی، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی2، مدول یانگ3، ضریب بایوت4، زاویهی اتساع5 و ضریب پواسون بهعنوان دادهی ورودی قرار داده شده است است - جدول. - 1 همچنین در هر مرحله تمام پارامترهای مدل ثابت در نظر گرفته شده و فقط نسبت پواسون تغییر داده شد تا میزان تغییرات فشار شکست مشخص شود.
جدول : 1 اطلاعات مورد استفاده در مدلسازی عددی
3-1-2 شرایط مرزی و بارگذاری
مدل ساختهشده در جهت افقی تحت اعمال بارهای فشاری است، شرایط مرزی در بدنه مدل فقط شامل بارهای وارده است. برای ایجاد شرایط واقعی در مدل باید تنشهای برجا را بهمدل اعمال کرد.
4-1-2 مشبندی مدل
مشبندی مدلها تابع عوامل متعددی است. در این تحقیق بهمنظور تبدیل مدل هندسی به اجزای کوچک از المان Structured استفاده شده است. این نوع مشبندی از دقت بالایی برخوردار است.
.3 ارائه و تحلیل نتایج
دامنهی تغییرات نسبت پواسون در سنگها اصولا بسیار کوچک می باشد. با توجه به اینکه مشخص است که نسبت پواسون بهعنوان یک شناساگر جنس سنگ و سیال منفذی در نظر گرفته میشود لذا تغییرات آن سبب تغییرات در مقادیر فشار شکست میشود.
شکل 1 تاثیر تغییرات نسبت پواسون بر فشار شکست سنگ را نشان میدهد. همانطور که از شکل مشاهده میشود وقتی که نسبت پواسون سنگ افزایش پیدا میکند، میزان فشار شکست کاهش مییابد.
