بخشی از مقاله
خلاصه
تحلیل پایداری دیواره چاه، یکیاز راههاییاست که جهت صرفهجویی در وقت و کاهش هزینهها در عملیات حفاری مدنظر قرار میگیرد و جهت جلوگیری از ریزش دیواره چاه ناشی شده از پیدایش گسیختگی برشی وهمچنین شکاف هیدرولیکی ناشی شده از پیدایش شکست کششی میبایست طراحی فشار ناشیاز وزن گل بادقت انجامگیرد. با نیاز جهت پایدار نگهداشتن چاه میتوان از بروز مشکلات در عملیات حفاری مانند: گیر لولهها، عملیات ماندهیابی، یکنواخت سازی دیواره چاه، سیمانکاری ضعیفو هرزروی گلحفاری دوریجست. این تحقیق، تحلیل پایداری چاه نفتی، درسازند فهلیان در میدان نفتی دارخوین، به کمک اطلاعات بدست آمده از دادههای چاهپیمایی و با استفاده از نرم افزار عددی FLAC3D انجام پذیرفته است. فشار و وزنگل برایآغاز حرکت پلاستیک دیواره چاه و همچنین آغاز گسیختگی برشی در دیواره چاه، برای 5 متر از سازند مخزن بدست آمده است. همچنین تحلیل پایداری چاه در امتداد قائم، تنش افقی حداقل و تنش افقی حداکثر انجام گردیده است. آغازحرکت پلاستیک و گسیختگی برشی در دیواره چاه در فشار 3/44 - 143/11 Mpa گرم برسانتیمترمکعب - و 0/488 - 20/29 Mpa گرم برسانتیمترمکعب - رخمیدهد. همچنین میدانیمکه شکست کششی یا شکست هیدرولیکی درامتداد تنش افقی حداکثر و گسیختگی برشی یا ریزش دیواره چاه درامتداد تنش افقی حداقل رخ میدهد.
1. مقدمه:
امروزه عملیات حفاری با استفادهاز فنآوری تحت تعادلP1P0F در سراسردنیا پرکاربرد شده است. از جمله مواردی که سبب افزایش میل به کاربرداین روش میشود.کنترل و کاهش هرزرویگل، کاهش صدمات وارده بهسازند، سرعت زیادحفاری و دستیابی به افزایش تولید میباشد.اگرچه حفاری تحت تعادل راهحل مناسبی برای کاهش صدمات وارده به سازند است اما طراحی نادرست حتی ممکن است صدمات جدیتری نسبت به حفاری بالای تعادلP2P1F به سازند واردآورد. میزان پایداری دیوارهچاه یکیازپارامترهای مهم تعیین کننده برای انتخاب روش حفاری تحت تعادل میباشد. بههمین روی تعیین وضعیت پایداری سازند کمک شایانی بهطراحی واجرای بهتر چاههای قائم وافقی میکند 3] و .[4 پایه روشهای عددی شبیهسازی یک محیط با بینهایت درجه آزادی، توسط محیطی با درجهآزادی محدود درتعداد معینی ازنقاط میباشد. چنانچه اثر نیرو و بارگذاری در این نقاط بررسی شده و پس از تعیین میزان تغییر شکل در این نقاط، برای سایرنقاط با روشهای درونیابی تغییرشکل محاسبه میگردد. مدلسازیعددی ابزارگرانبهایی جهت درک رفتار توده سنگ، توزیع مجدد تنش، مطالعه مکانیزم شکست نواحیشکست و همچنین پیشبینی مقادیر تغییرشکل ناشیازحفاری میباشد.
در حالحاضر از این روشها بهطورگسترده برای طراحی سازههایسنگی نظیر فضاهای زیرزمینی، فنداسیون سدها،چاههای نفت ونظیرآنها استفاده میشود. محیطهایی که یک سازه در آنها یا روی آنها ساخته میشوند به سه دسته محیط پیوسته، محیط ناپیوسته ومحیط شبهپیوسته قابل تقسیم هستند. محیط پیوستهP1P2F محیطی است که از تئوری الاستیسیته و کرنشهای کوچک برای آنالیزتنشها وکرنشهایش استفاده میشود .[1] مقالات زیادی در خصوص مدلهای ترکیبی وجود دارد. وستر جاردP2P3F در سال 1940 اولین کارش را در مورد دانش توزیع تنش در اطراف دیواره چاه با استفاده از یک مدل الاستوپلاستیک ارائه کرد. بعداز آن کارهایدیگری با استفاده از مدلهای الاستوپلاستیک منتشرشدند وبه نتایج جدیدی رسیدند 8] و 7 و 6 و .[5 تلاشهای زیادی برای توسعه مدل ترکیبی الاستیک خطی انجام پذیرفته است. در سالهای بعد افراد دیگری بهتوسعه مدل ترکیبیالاستیک خطی پرداختند. به واسطه مدلهای انتشار یافته آنالیزهای الاستیک خطی میتوانند بیشترین رویکرد معمول به کار گرفته شده باشد. دلیل این است که این روش به پارامترهای ورودی کمتری در مقایسه با دیگر روش های پیچیده نیاز دارد 12] و 11 و 10 و .[9
2. روش و مراحل تحقیق:
در این تحقیق از نرمافزار FLAC3D برای مدلسازی استفاده شده است. این نرمافزار ساخت شرکت ایتاسکاP3P4F میباشد و برای مدلسازی در محیط پیوسته به کار میرود. از مزایای سه بعدی بودن این برنامه میتوان به تحلیل از زوایای گوناگون، تعیین دقیق تنشها، چرخش مدل اشاره کرد. ساخت محیط دستوری یکی دیگر از قابلیتهایFLAC3D برای آنالیزهای مهندسی افزایش میدهد. این نرمافزار بر پایه روش عددی تفاضل محدود میباشد و برای محاسبات و تحلیل های مهندسی نوشته شده است. توانایی این نرمافزار در حالت سه بعدی نسبت به دو بعدی افزایش یافته و رفتار سه بعدی سازه خاکی، سنگی یا سایر مواد که دارای جریان پلاستیک هنگام رسیدن به حد تسلیم هستند را شبیهسازی میکند. در این نرمافزار موادی با المانهای چندوجهی درون شبکه سه بعدی نمایش داده میشوند که توسط کاربر برای تطابق با شکل تنظیم میگردد. برنامه با توجه به شرایط اولیه تنش ها و شرایط مرزی، تغییر مکان گرهها را محاسبه می کند و این محاسبات را از مرز مدلها آغاز مینماید. چون در مرز، تنشها و تغییر مکان های اولیه داده شده است و این اطلاعات جز دادههای ورودی به برنامههستند. تفاضلعددیمحدود قدیمیترین تکنیکعددی برایحل معادلات دیفرانسیلیاست کهمقادیراولیه و شرایط مرزی آنها مشخص است . دراین روش هیچ ماتریسی تشکیل نمیشود، بنابراین محدودیتهای کمتری دارد وهمچنین اجازهآنالیز جابهجایی بزرگ رامیدهد. یک چاهحفاری شده رامیتوان با FLAC مدلسازیکرد و سپساثرات آنرابرروی پایداری فضا وسازه زیرزمینی بررسی کرد. در این حالت محیط پیوسته فرض میشود یعنی در این حالت، خواص درزه نداریم. برای انجام تحلیل، ابتدا هندسه مسئله توسط شبکه تعریف میشود. اگر ناپیوستگی در مدل وجود دارد، در آغاز هندسه آن ایجاد شده سپس خواص مورد نظر به آن اختصاص مییابد. بعد از این مرحله نوبت به تعریف مدل رفتاری و اعمال کردن خواص مواد می شود و در مرحله بعدی شرایط مرزی و اولیه اعمال میگردد. در این حالت مدل باید تحت شرایط موجود به تعادل برسد. پس از ایجاد تعادل نوبت به خود چاه میرسد.
باید توجه نمود که قبل از حفاری و پس از اطمینان از تعادل اولیه باید تمامی جابجاییهای ایجاد شده صفر گردد، زیرا این عمل باعث جلوگیری ازتداخل جابهجاییهایقبل و بعداز حفرچاه میشود .[2] دادههای ورودی نرمافزار عبارت است از چسبندگی،تنشهای برجا، مدول برشی، مدول بالک، زاویه اصطکاک و ضریب پوآسون. مدل مورد استفاده در این نرم افزار مدل موهر- کلمب میباشد. پارامترهای ژئومکانیکی مخزن، حاصل از بررسیهای دینامیکی که به وسیله لاگ صوتی - که عبارت است از زمان گذر موج فشاری و برشی - و لاگ چگالی بهدست میآیند به شرح زیر محاسبه میشوند:
- 1 - مدولیانگ دینامیکی
- 2 - مدولبرشی دینامیکی
- 3 - مدولبالک دینامیکی
- 4 - ضریب پوآسون
در این روابط زمان گذر موج فشاری و برشی و چگالی بر حسب گرم بر سانتیمتر مکعب میباشد. پارامترهای ورودی به نرمافزار پارامترهای استاتیکی میباشند و به همین جهت به وسیله رابط تجربی زیر مدول یانگ دینامیکی بهاستاتیکی تبدیلمیشود وبدین ترتیب بقیه پارامترها نیز تبدیل میگردند. - 5 - ERstaticR=0/4145 ERdynamicR– 1/0593 تنشهای افقی حداقل و حداکثر بوسیله ضریب پوآسون، کرنشهای افقی و فشار سیال به شکل زیر محاسبه میگردند: - 6 - تنش افقیحداقل:
- 7 - تنشافقیحداکثر:
a، ضریب بایوت - BF - P5F1P میباشند و برابر با یک در نظرگفته میشود، , کرنش در جهت تنش افقی حداکثر و حد اقل که به ترتیب برابر او 1/5 قرار داده شد. پارامترهای kRgR, kRbR به ترتیب مدولهای سنگ متخلخل و سنگ بکر هستند. BF برای سنگهای بکر صفر و برای سنگ هایی با تخلخل بالا یک در نظر گرفته میشود. [13]
3. بحث:
نخستین مرحله برای اینکه بتوان به کمک روشهای عددی، تغییرشکل دیواره را مدل کرد، تقسیم کردن محیط به اجزا کوچک است. به کمک المانه و گره ها محیط را به قسمتهای کوچک تقسیم میشود که در اصطلاح به این کار مشبندی میگویند. ابعاد و مدل سهبعدی بهصورت 1/5 متر در جهت X، 1/5 متر در جهت Y و 5 متر در جهت Z - در امتداد چاه - ساخته میگردد. شعاع چاه نیز با توجه به ریزش دیواره 7/76 سانتیمتر در نظر گرفته میشود. برای بدست آوردن وزن گل بهینه، از فشار گل بالاتر از فشار منفذی سازند، تحلیل را شروع کرده و برای آغاز حرکت پلاستیک و ایجاد شکاف در دیواره چاه در جهت تنش افقی حداکثر در فشارگل 143/11Mpaو در وزنگل 3/44 گرمبرسانتیمترمکعب اتفاق میافتد - شکل. - 1
