بخشی از مقاله
چکیده
شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از مهمترین تکنیکهای انگیزش مخزن دارای پیچیدگیهای خاصی میباشد. از آنجا که این عملیات بسیار هزینهبر و حساس میباشد انجام آن نیازمند یک طراحی دقیق میباشد و لازمه طراحی عملیات آگاهی از میزان رشد شکاف در نرخهای تزریق مختلف، پارامترهای هندسی شکاف، فشار بسته شدن شکاف و میزان بهره وری به دست آمده در شرایط مختلف میباشد. بدین منظور مدلسازی سه بعدی کمک زیادی به آگاهی یافتن از موارد ذکر شده میکند.
در این مقاله با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود آباکوس و بر پایه مدل ناحیه چسبناک، یک مدل سه بعدی غیر خطی کوپله سیال- جامد ایجاد شده است. عملیات شکست هیدرولیکی در یک چاه عمودی در میدان نفتی اهواز در ایران به وسیله این مدل شبیهسازی شده است. مدل در برگیرنده لایههای مختلف مخزن، کیسینگ چاه، سوراخکاریهای کیسینگ، پوش سنگ مخزن، تنشهای برجا در هر لایه میباشد. هندسه شکاف، فشار سیال درون شکاف و تغییر میزان بهرهوری پس از ایجاد و گسترش شکاف تحت نرخها و ویسکوزیتههای مختلف سیال شکاف مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
-1 مقدمه
در یک عملیات شکست هیدرولیکی ابتدا سیالیبا ویسکوزیته مشخص که اصطلاحاً پد نامیده میشود را با نرخی مناسب به درون چاه تزریق میکنند. با بالا رفتن فشار تا حد معینی شکاف ایجاد شده و شروع به رشد می کند سپس سیالی حاوی پروپانت را به درون چاه تزریق میکنند. دانههای پروپانت که از مواد مقاوم در برابر فشار هستند به داخل شکاف رفته و از بسته شدن شکاف در اثر تنشهای برجا جلوگیری می کنند. شکاف ایجاد شده باعث افزایش سطح تماس سازند با چاه شده و مسیری برای عبور سیال از مخزن به چاه ایجاد میکند و در نهایت موجب افزایش بهرهوری چاه میشود
یکی از گامهای مهم در طراحی شکست هیدرولیکی مدلسازی عملیات میباشد که به طراح اجازه میدهد حجم و نوع سیال شکاف مورد نیاز، حجم پروپانت مورد نیاز، جنس پروپانت و تراکم آن را در بهینهترین حالت ممکن مشخص کند. تاکنون مدلهای دو بعدی و شبه سه بعدی زیادی برای شبیهسازی شکست هیدرولیکی توسعه یافتهاند اما با افزایش توان محاسباتی کامپیوترها و توسعه مدل های سه بعدی، استفاده از مدل های سه بعدی مرسوم تر شده است هر چند هنوز هم استفاده از مدلهای شبه سه بعدی به دلیل سادگی بیشتر در اولویت میباشد
از جمله مهمترین روشهایی که برای مدلسازی شکست هیدرولیکی مورد استفاده قرار میگیرد روش اجزا محدود می باشد. در سالهای اخیر محققین زیادی به مطالعه در زمینه ی تأثیر تنشهای برجا، پارامترهای مکانیک سنگی و لایههای سازند بر روی شکست هیدرولیکی پرداختهاند. گو و سبریت در زمینهی تأثیر تغییرات مدولهای سنگی در لایههای سازند بر میزان رشد ارتفاع شکاف مطالعه کرده اند .[3] همچنین گو و همکارانش در تحقیقی دیگر تأثیر لغزش بین لایههای سازند را بر رشد شکاف هیدرولیکی را مدلسازی کردند
در این مقاله با استفاده از نرم افزار اجراء محدود آباکوس و بر پایه مدل ناحیه چسبناک مدلی از عملیات شکست هیدرولیکی در یکی از چاههای میدان نفتی اهواز تهیه شد. چن بر پایه این روش به مدلسازی شکست هیدرولیکی پرداخته و تأثیر ویسکوزیته سیال پد را مورد مطالعه قرار داده است
ژانگ و همکارانش نیز با استفاده از این روش عملیات شکست هیدرولیکی را در یک چاه افقی در میدان نفتی داکینگ در چین شبیهسازی کردند .[6] در این روش محل شکاف توسط یک لایه از المانهای چسبناک تعریف میشود. از مزایای این روش میتوان به این موارد اشاره کرد: -1 در بر گرفتن جریان سیال درون شکاف -2 عدم ایجاد تکینگی در نوک شکاف - 3 عدم نیاز به مشبندی مجدد. از معایب این روش نیز میتوان به ثابت بودن راستای رشد شکاف اشاره کرد.
-2 مدل شکست هیدرولیکی بر پایه ناحیه چسبناک
شکل - 1 - نمایی شماتیک از مدل ناحیه چسبناک شکست هیدرولیکی نشان را میدهد. در این مدل لایهای از المانهای چسبناک در سنگ قرار داده شده که محل ایجاد و گسترش شکاف را تعیین می کند. پس از تزریق سیال درون چاه و ورود آن به المان های چسبناک سطوح جانبی این لایه از هم باز میشوند و شکاف شروع به گسترش می کند. شکاف از سیال پر شده و فشار سیال بر دیواره شکاف موجب رشد شکاف میشود. سیال درون شکاف علاوه بر حرکت به سمت جلو از طریق دیوارههای شکاف به درون سازند نشت میکند.
شکل : - 1 - نمای شماتیک از مدل ناحیه چسبناک شکست هیدرولیکی
-1-2 قانون چسبناک - The Cohesive Law -
قانون چسبناک رابطه بین تانسور کشش و جابجایی بین دو سطح چسبیده به هم را تعریف میکند. با تعریف تابع پتانسیل چسبندگی ، تانسور کشش به صورت زیر نشان داده میشود:
انواع مختلفی از روابط کشش- جدایش برای شبیه سازی شکست در مواد مختلف ارائه شده است. در این مقاله رفتار المانهای چسبناک بوسیله قانون چسبندگی خطی برگشتناپذیر تعریف شده است. با توجه به شکل - 2 - رفتار المان قبل از آغاز شکست به صورت خطی بوده و با رسیدن تانسور کشش به میزان مشخص که منطبق با میزان جدایش میباشد
در این معیار تنش نرمال کششی و تنشهای برشی بوده و مقاومت نرمال کششی و مقاومتهای برشی میباشند. زمانی که مقدار این تابع به یک برسد سطوح المان از هم جدا شده و پدیده آغاز شکست روی میدهد .
قانون رشد ترک توصیف کننده نرخ کاهش سختی مواد پس از شروع شکست میباشد. بدین منظور متغیر اسکالر شکست D، آسیب کلی را در ماده نشان میدهد. در ابتدا مقدار آن صفر میباشد ولی با آغاز شکست و بارگذاری بیشتر مقدار آن به طور یکنواخت از صفر به یک میرسد. مولفههای تنش در مدل کشش- جدایش تحت تأثیر شکست قرار میگیرند
