بخشی از مقاله
چکیده
سازندهای شیل گازی امروزه به عنوان منابع بسیار بزرگ گاز طبیعی شناخته میشوند. به دلیل تراوایی بسیار پایین آنها رویکرد کارا برای تولید اقتصادی حفر چاههای افقی و انجام عملیات شکافت هیدرولیکی چندمرحلهای است. در واقع، هدف از این عملیات ایجاد شبکهای از شکستگی ها به منظور بیشینه کردن سرعت تولید است. در هر مرحله از این عملیات، شکستگیهای چندگانه شروع شده از دسته های مشبک کاری گسترش مییابند . به دلیل پدیدهای به نام اثر سایه تنش و مشکلات متعاقب آن از قبیل منحرف شدن شکستگی ها، دسته های مشبک کاری نم یتوانند از یک فاصله ای به یکدیگر نزدیک تر شوند. بنابراین طراحی مناسب فاصله بندی دسته ها پیش از عملیات ضروری است.
برای این منظور، در این مطالعه از روش ناحیه چسبنده مبتنی بر روش اجزای محدود توسعه یافته، استفاده شده است. زیرا در این رویکرد عدد ی علاوه بر در نظر گرفتن اثر نرم شدن مواد در ناحیه فرآیند شکست، گسترش شکستگیها در امتداد مسیرهای دلخواه و مستقل از شبکه بندی میباشد. به دلیل نبود اطلاعات ژئومکانیکی مورد نیاز از یک سازند شیلی مشخص در داخل کشور، از اطلاعات موجود برای سازند مارسلوس واقع در ایالات متحده آمریکا استفاده شده است. برای تعیین فاصله بندی مناسب دستههای مشبک کاری، مسائلی همچون انحراف، بازشدگی و پتانسیل گسترش شکستگیها در نظر گرفته شد. با توجه به نتایج حاصل از شبیه سازیها، فاصله بندی 30 متر برای دسته های مشبک کاری به عنوان مناسبترین گزینه طراحی در این سازند تعیین شد.
-1 مقدمه
سازندهای شیل گازی که امروزه به عنوان منابع بسیار بزرگ گاز طبیعی شناخته میشوند، دهها میلیون سال پیش تشکیل شدهاند. این سازندها غنی از مواد آلی به دام افتاده هستند ولی تراوایی بسیار پایینی دارند. بنابراین تولید اقتصادی از شیل های گازی به تنهایی نمی تواند از سازوکار های طبیعی حاصل شود و نیازمند فناوری هایی جدیدی مانند حفاری افقی و عملیات شکافت هیدرولیکی چندمرحله ای است که رایج ترین روش های تحریک تولید از این منابع نامتعارف هستند
در عملیات شکافت هیدرولیکی چندمرحله ای2 چاههای حفر شده در جهت تنش افقی حداقل، طی مراحل متعددی از پنجه به سمت پاشنه چاه تحریک میشوند .[4] به دلیل اینکه این عملیات در چاههای دارای پوشش جداری انجام می شود، برای ایجاد ارتباط بین چاه و سازند و همچنین ایجاد شکستگی های اولیه باید این پوشش مشبک3 شود .[5] بنابراین، در هر مرحله دسته های مشبک کاری4 به صورت مارپیچی و تنها با چند فوت طول ایجاد میشوند و سپس با تزریق سیال شکافت، شکستگیهای چندگانه5 - متعدد - عرضی6 شروع و گسترش مییابند
به منظور بیشینه کردن تولید، باید ارتباط خوبی بین چاه جداره دار و سازند برقرار شود. بنابراین به میزانی که تعداد دسته های مشبک کاری در یک مرحله و در نتیجه در قسمت افقی چاه بیشتر شود، پتانسیل تولید نیز بیشتر خواهد بود. ولی به علت عاملی به نام سایه تنش7 دستههای مشبککاری نمیتوانند از یک فاصله ای به یکدیگر نزدیک تر شوند. طبق تعریف سایه تنش به ناحیه آشفته در اطراف هر شکستگی گفته میشود که در آن جهت تنشهای اصلی به صورت محلی تغییر میکنند
این عامل که با گسترش هر چه بیشتر شکستگی ها شدیدتر می شود، موجب انحراف و کم شدن عرض شکستگی ها ، بالا رفتن فشار گسترش و ایجاد شکستگیهای کوتاه، گیر کردن پروپانت ها8 و در نهایت ناموفق شدن عملیات میشود. به عنوان مثال تحلیل لاگهای تولیدی در چندین حوزه حاکی از این است که حدود 30 درصد از دستههای مشبککاری در تولید نقشی ندارند بنابراین باید قبل از عملیات اصلی، فاصله بندی مناسب برای دسته های مشبک کاری تعیین شود که این موضوع چالش امروزه صنعت نفت و گاز برای به حداکثر رساندن تولید گاز طبیعی از شیلهای گازی است.
وو و همکاران - 2012 - با مدلسازی گسترش شکستگیهای هیدرولیکی چندگانه، اثر سایه تنش را بررسی کردند. آنها استدلال کردند که تنش های برجا موجب گسترش شکستگی ها در جهت تنش برجای حداکثر می شود، در حالیکه اثر سایه تنش موجب دور شدن شکستگی ها از هم می شود
تقی چیان و همکاران - 2014 - مطالعه عددی جامعی در رابطه با سایه تنش و بازشدگی شکستگی های هیدرولیکی در شیل ها انجام دادند. در کار آنها پس از معرفی شاخصهای کلیدی تاثیرگذار، در رابطه با سازوکار های مختلف بحث و یک سری معادلات جامعی برای پیش بینی سایه تنش و بازشدگی شکستگی های هیدرولیکی ارائه شده است
شین و همکاران - 2014 - با استفاده از نرم افزار Abaqus اثر پارامترهای مختلف طراحی و شرایط برجا را بر روی ابعاد و الگوی شکستگی ها مطالعه نمودند. نتایج آنها نشان داد که با افزایش فاصله بندی شکستگی ها و یا کاهش تعداد شکستگی در یک مرحله، تداخل تنش های کمتری پیش می آید که موجب گسترش بیشتر شکستگی ها می شود. همچنین افزایش مدول یانگ منجر به تداخل بیشتر تنشها میشود
در چند دهه گذشته روش های عددی مختلفی برای مدل سازی سازوکار شکست در مواد پیشنهاد شده که روش المان محدود توسعه یافته - XFEM - 9 از جمله آن هاست که در آن شکستگی در امتداد مسیرهای از پیش تعیین نشده و مستقل از شبکهبندی - مش بندی - گسترش می یابد .[11] این روش با یک مدل رفتاری که اثر شکستگی را در ماده مدل سازی می کند، ترکیب میشود تا رفتار شکست ماده را نشان دهد
یکی از این مدل های رفتاری، مدل ناحیه چسبنده - CZM - 1 است که با در نظر گرفتن اثرات نرم شدن2 مواد در ناحیه فرآیند فرآیند شکست3، مدل سازی گسترش شکستگی در مواد شبهتردی مانند شیل را امکان پذیر میکند. بنابراین با توجه به مزیتهای بیان شده در بالا، در این پژوهش از روش CZM مبتنی بر XFEM موجود در نرمافزار Abaqus، برای شبیه سازی عملیات شکافت هیدرولیکی استفاده شده است .[11] برای تعیین فاصله بندی مناسب دسته های مشبک کاری، مسائلی همچون انحراف، بازشدگی و پتانسیل گسترش شکستگیها در نظر گرفته شد. فاصله بندی مناسب بین دستههای مشبککاری فاصلهای است که شکستگیهای حاصل از آن دارای بازشدگی زیاد، کمترین انحراف و همچنین فشار گسترش مناسبی باشند.
-2 رویکرد عددی و نحوه مدلسازی
مدل سازی عملیات شکافت هیدرولیکی یک کار پیچیده ای است و نیازمند یک شبیهساز عددی چندفیزیکی میباشد؛ از آنجایی که باید محاسبات برای همبسته کردن4 حداقل چهار فرآیند اساسی انجام شود :
الف- تغییر شکل محیط متخلخل، ناشی از فشار هیدرولیکی اعمال شده بر سطوح شکستگی؛ ب- جریان سیال شکافت در داخل شکستگی و نشت آن به محیط اطراف؛ ج- گسترش شکستگیکه ذاتاً یک فرآیند برگشت ناپذیر و تکین5 است؛ د- جریان سیال درون محیط متخلخل.
در نرم افزار Abaqus معادلات و روابط ساختاری حاکم بر این فرایندهای همبسته، نظریه پوروالاستیسیته بایوت - Biot - برای تغییرشکل محیط متخلخل، قانون دارسی - Darcy - برای جریان سیال منفذی، نظریه روانکاری رینولدز - Reynold - برای جریان سیال شکافت درون شکستگی و برای گسترش شکافت هیدرولیکی از رویکرد CZM مبتنی بر XFEM اتخاذ شده است
-1-2 رویکرد عددی CZM مبتنی بر XFEM
روش XFEM برای اولین بار توسط بلیتچکو و بلک [14] معرفی شددر. این روش شکستگی صریحاً به صورت هندسی مدل نمی شود بلکه با استفاده از توابع غنیسازی مخصوص به همراه درجات آزادی اضافی مدل می شود. روش XFEM موجود در نرم افزار Abaqus، برای مدل سازی شکستگی غیر ایستا فقط تابع هویساید - 6 - H - x - که ناپیوستگی در میدان جابجایی در سراسر سطوح شکستگی را مدل میکند، در نظر میگیرد. میدان جابجایی با استفاده از روش XFEM در رابطه - 1 - آمده است که در آن N I - x - توابع شکل معمولی، uI بردار جابجایی گرهای مرتبط با بخش پیوسته و aI درجات آزادی اضافی مربوط به ناپیوستگی جابجایی برای اجزای شکسته شده هستند
