بخشی از مقاله
چکیده
فرایند تولید ماسه در چاه های نفت و گاز در اثر فشار بالای خروج نفت و گاز از دیواره چاه بوقوع می پیوندد.گرادیان بالای فشار نفت و گاز موجب شکست و فرسایش سنگ های دیواره چاه می شوند. تولید ماسه در چاه های نفت از فاکتور های مهم وتاثیر گذار در قیمت تمام شده فراورده های نفتی وهمچنین نرخ تولید می باشد. تولید ماسه از اولین مراحل حفاری در چاهای نفت تا پایان عمر مفید چاه مشاهده میشود و %70چاه های نفت با تولید ماسه و مشکلات آن در تولید وبهره برداری مواجه هستند .
هدف از انجام این پژوهش پیش بینی نرخ تولید ماسه بانظریه فرسایش سنگ است . برای انجام شبیه سازی از نرم افزار ABAQUS برگزیده شد و با انتخاب نظریه فرسایش سنگ و کد نویسی در محیط INTEL VISUAL FORTRAN، کدها در نرم افزار آباکوس مورد استفاده قرار گرفت . در ادامه با استفاده از مشخصات مکانیکی سنگ و کد فرسایش سنگ و اعمال آنها در نرم افزار آباکوس نرخ تولید ماسه بدست آمد .
-1 مقدمه
نرخ تولید ماسه در صنعت نفت مستقیما در طراحی سیستم فیلتراسیون نفت خام تعیین عمر لوله های انتقال نفت از چاه، پایداری چاه و قیمت تمام شده نفت و فراورده های نفتی تاثیر دارد . با ظهور صنعت نفت در جهان ابتدا برای مقابله با این معضل اقدام به نصب سیستم فیلترسیون بدون محاسبه پتانسیل تولید ماسه می کردند که موجب قیمت بالای تمام شده نفت وهمچنین فرسایش سیستم انتقال نفت که منجر به توقف تولید می شد . روش های جلوگیری از تولید ماسه گران می باشد ولی با پیش بینی تولید ماسه می توان در مینیمم کردن هزینه تولید قدم نهاد .
تولید ماسه توسط دو مکانیزم شاخص به وقوع می پیوندد. اولین مکانیزم ناپایداری مکانیکی - ناشی از فشار طبقات زمین - و دومین مکانیزم ناپایداری هیدرودینامیکی در هنگام حفاری و برداشت نفت وگاز بوجود می آید . در زمینه ی تولید ماسه تحقیقات فراوانی در زمینه های آزمایشگاهی تحلیلی و عددی صورت گرفته است ترونول درسال1997 طی آزمایشاتی بر روی نمونه های آزمایشگاهی تاثیر فشار جریان سیال واندازه دانه ماسه بر روی نرخ تولید ماسه را بررسی نمود وی همچنین با استفاده از مدل های عددی تولید ماسه در ماسه های نرم دلیل اصلی شروع و تداوم تولید ماسه در ماسه های نرم در چاه را فرسایش ناشی از نیروهای هیدرودینامیکی دانست نه فرسایش ناشی از ناپایداری مکانیکی . وی همچنین دریافت جریان های شعاعی در چاه های نفت نسبت به جریان های محوری نسبت به محور چاه نرخ تولید ماسه بیشتری دارد
علیرضا نوری در سال2005 با انجام یک کار آزمایشگاهی تاثیر فشارشعاعی موجود در مدل آزمایشگاهی بروی نرخ تولید ماسه را بررسی کرد و نتایج آزمایشات را با مدل سازی عددی مقایسه نمود . موسوی در سال2013 با بررسی آزمایشگاهی تاثیرتنش شعاعی و محوری در دهانه چاه وهمچنین قطرکانال های موجود در بدنه چاه که طی حفاری بوجود می آیند را بروی نرخ تولید ماسه بررسی نمود . 2 الشعیبی در سال 2013 با شبیه سازی یک مدل سه بعدی چاه مطالعاتی بر روی حداقل فشار لازم برای شروع تولید ماسه و همچنین تاثیر شیب دیواره چاه بروی تولید ماسه انجام داد
با مرور بر کارهای قبلی انجام شده درزمینه تولید ماسه خلا پژوهش در مورد شبیه سازی تولید ماسه در چاه های نفت بر اساس مدل های فرسایش سنگ وجود دارد چرا که اکثر پژوهش ها در زمینه ی کارهای آزمایشگاهی بر پایه ی عوامل موثر بر نرخ تولید ماسه می باشد . مدل های عددی و شبیه سازی تولید ماسه فقط بر پایه ی نظریه های شکست ماده - موهر -کلمب و... - می باشد وتاثیر نیرو های هیدرودینامیکی در نظر گرفته نشده است . در این پژوهش با بهره بردن از چند مدل فرسایش سنگ که با در نظرگرفتن توامان نیروهای مکانیکی و هیدرودینامیکی تعریف شده اند اقدام به شبیه سازی در نرم افزار آباکوس شد.
-2توضیح مفاهیم اولیه - خواص فیزیکی ومکانیکی سنگ -
در این بخش ابتدا به تعریف پارامترهای فیزیکی و مکانیکی سنگ که در آباکوس مورد استفاده قرار می گیرد معرفی می شود . سنگ به عنوان یک محیط متخلخل در نظر گرفته شده است و برای تحلیل رفتار مکانیکی تخلخل و نفوذپذیری آن در نرم افزار تعریف می شود .
1 - 2 تخلخل و ضریب نفوذپذیری:
برای المان های سنگ مخزن نسبت حجم فضای خالی المانvv به حجم سنگ داخل المانvs را به عنوان ضریب تخلخل طبق رابطه - 1 - تعریف میشود :
قابلیت عبور جریان در یک محیط متخلخل توسط ضریب نفوذپذیری ماده متخلخل k با استفاده از قانون دارسی طبق رابطه - 2 - بیان می شود :
ژئومکانیک نفت
که Q جریان عبوری و A سطح مقطع وi شیب هیدرولیکی بر اساس آزمایش دارسی می باشد .
2 - 2 تنش های درجا
معمولا با افزایش عمق ،تنش های داخلی زمین افزایش می یابد . تنش های افقی تحت تاثیر عواملی ساختاری زمین شناسی ، تنش های پسماند و تنش های گرمایی می باشند . تنش قائم در داخل زیر زمین از رابطه - 3 - بدست می آید
σn تنش قائم ، z عمق زمین و وزن مخصوص سنگ می باشد . رابطه ی بین تنش قائم وتنش افقی با استفاده از ضریب تنش - - k طبق رابطه - 4 - تعریف می شود :
-3 مدل سازی فرایند تولید ماسه
همانطور که در قسمت های قبل توضیح داده شد برای فرایند تولید ماسه مدل های فرسایش سنگ انتخاب شده است . در این مدل شکست و فرسایش ماده با در نظر گرفتن توامان نظریه شکست ماده براساس نیروهای مکانیکی و هیدرودینامیکی می باشد .
شکل : - 1 - شمایی از نیرو های منجر به تولید ماسه در چاه نفت
در این مقاله با مطالعه بر روی مدل های مختلف فرسایش دو مدل برگزیده شد و در INTEL VISUAL FORTRAN با فرمت مناسب کد نویسی شد . با توجه به متقارن بودن هندسه چاه تنها یک چهارم چاه به برای شبیه سازی در نرم افزار آباکوس مدل شد .در شکل - - 2 نمایی از مدل ساخته شده نشان داده شده است
