بررسی عددی تأثیر میزان نفوذپذیری سازند و هرزروی سیال داخل ترک بر روی مشخصات شکاف هیدرولیکی در مخازن نفت و مقایسه با مدل‌های تحلیلی KGD وPKN

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده عمران دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

از نقطه نظر مهندسی مخازن نفت، نحوه افزایش تولید از مخازن دارای نفوذپذیری کم و چاه‌های آسیب دیده، یکی از مهم‌ترین و پرچالش‌ترین مسائل می‌باشد. به خصوص اگر این مخازن دارای ذخایر نفتی بالابوده و پتانسیل تولید بیشتری را داشته باشند. روش شکافت هیدرولیکی یکی از روش‌های ازدیاد برداشت از مخازن نفتی است که در چند دهه گذشته مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است.
با تزریق سیال تحت فشار به داخل مخزن، می‌توان به تنش‌های برجا و مقاومت کششی سنگ غلبه کرده و در سنگ ترک ایجاد کرد. شرایط ژئومکانیکی مخزن از قبیل سختی سنگ، تنش‌های برجا، مقاومت کششی، میزان نفوذپذیری مخزن، میزان هرزروی سیال داخل ترک به مخزن و ... مستقیماً بر مشخصه‌های شکاف هیدرولیکی ایجاد شده تأثیر می‌گذارند. مدل‌های تحلیلی مختلفی برای پیش‌بینی مشخصه‌های ترک هیدرولیکی وجود دارد. در این میان، دو مدل KGD و PKN از مشهورترین و کاربردی‌ترین مدل‌های تحلیلی شکاف هیدرولیکی هستند. هر دو مدل با در نظر گرفتن شرایط کرنش مسطح در فضای دوبعدی، ولی با دو رویکرد متفاوت ( مدل اول در صفحه افقی و مدل دوم  در صفحه قائم) مشخصه‌های ترک را محاسبه می‌نمایند. در این مدل‌ها برخی از مؤلفه‌های اثرگذار از جمله میزان نفوذپذیری سنگ مخزن و میزان نشت سیال از جداره‌های ترک مورد توجه قرار نگرفته‌اند.
هدف از انجام این پژوهش، بررسی اثر هرزروی سیال تزریق شده به داخل مخزن می‌باشد که تأثیر زیادی در موفقیت یا عدم موفقیت عملیات شکافت هیدرولیکی دارد. در مقاله حاضر، تأثیر دو پارامتر مهم میزان نفوذپذیری سنگ مخزن و میزان نشت سیال از جداره‌های ترک به مخزن بر روی مشخصات شکاف هیدرولیکی، با استفاده از مدل‌سازی عددی به روش XFEM مورد مطالعه قرار گرفته و میزان تأثیر آن‌ها بر طول و عرض ترک و فشار سیال در دهانه ترک مورد ارزیابی قرار گرفته است. از مقایسه نتایج مدلسازی عددی و نتایج به دست آمده از فرمول‌های تحلیلی KGD و PKN مشخص شد که دو پارامتر میزان نفوذپذیری سازند و ضریب نشت جداره‌های ترک که در روابط تحلیلی در نظر گرفته نشده‌اند، تأثیر زیادی بر روی مشخصات شکاف هیدرولیکی دارند. لذا برای طراحی موفقیت‌آمیز و بهینه عملیات شکافت هیدرولیکی باید تأثیر هرزروی سیال نیز در نظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها


[1] Veatch, R.W.; Moschovidis, Z.A.; Fast, C.R. (1989). An overview of hydraulic fracturing. In Oildley, Holditch, Nierode, Veatch, editors. Recent advances in hydraulic fracturing (Vol. 12, pp. 1-38). Monograph, Society of  Petroleum engineers.
[2] King, G.E. (2012). Hydraulic Fracturing 101. SPE 152596. Hydraulic Fracturing Technology Conference, Woodlands, Texas, USA
[3] Khristianovic, S.A.; Zheltov, Y.P. (1955). Formation of vertical fractures by means of highly viscous liquid. In: Proceedings of the fourth world petroleum congress, Rome (pp. 579–8)
[4] Perkins, T.K.; Kern, L. R. (1961). Widths of hydraulic fractures. J. Pet. Tech., 13(9):937–49 [SPE 89]
[5] Gadiyar, B. R.; Shivaswamy, U.; Gupta, A. (1998). Experimental study and modeling of hydraulic fracturing fluid leakoff in presence of gas saturation. (no. 1).
[6] Moes, N.; Belytschko, T. (2002). Extended finite element method for cohesivecrack growth. Engineering Fracture Mechanics (Vol. 69, no.7, pp. 813 – 833).
[7] Fisher, M. K.; Heinze, J. R.; Harris, C. D.; Davidson, B. M.; Wright, C. A.; Dunn, K. P. (2004). Optimizing Horizontal Completion Techniques in the Barnett Shale Using Microseismic Fracture Mapping. SPE Annual Technical Conference and Exhibition.
[8] Casas, L. A.; Miskimins, J. L.; Black, A. D.; Green, S. J. (2006). Laboratory Hydraulic Fracturing Test on a Rock With Artificial Discontinuities. SPE Annu. Tech. Conf. Exhib.
[9] Chen, Z.; Bunger, A. P.; Zhang, X.; Jeffrey, R. G. (2009). Cohesive zone finite element-based modeling of hydraulic Fractures. Acta Mechanica Solida Sinica (Vol. 22, no. 5, pp. 443–452). Wuhan, China.
[10] Yao, Y.; Gosavi, S. V.; Searles, K. H.; Ellison, T. K. (2010). Cohesive Fracture Mechanics Based Analysis to Model Ductile Rock Fracture. 44th US Rock Mechanics Symposium (p. ARMA 10-140).
[11] Mohammadnejad, T.; Khoei, A.R. (2013). An extended finite element method for hydraulic fracture propagation in Deformable porous media with the cohesive crack model. Finite Elm. Anal. Des (Vol.73, pp. 77-95).
[12] Haddad, M.; Sepehrnoori, K. (2014). Simulation of Multiple-Stage Fracturing in Quasibrittle Shale Formations Using Pore Pressure Cohesive Zone Model.
[13] Saberhosseini, S. E.; Keshavarzi, R.; Ahangari, K. (2017). A fully coupled threedimensional hydraulic fracture model to investigate the impact of formation rock mechanical properties and operational parameters on hydraulic fracture opening using cohesive elements method. Arab. J. Geosci (Vol. 10, no. 7)
[14] چیتی، نوید; پاک، علی. (1396). بررسی میزان تأثیر پارامترهای ژئومکانیکی بر شکاف هیدرولیکی در مخازن نفت با مدل‌سازی عددی. پایان‌نامه منتشر نشده کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده عمران، گروه ژئوتکنیک.
[15] سلیقه دوست، مصطفی; پاک، علی. (1398). ارزیابی اثر عوامل هیدرومکانیکی در روشهای متعارف تحلیل شکاف هیدرولیکی در مخازن نفت. پایان‌نامه منتشر نشده کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده عمران، گروه ژئوتکنیک.
[16] اسفندیاری، مصطفی; پاک، علی. (1399). ارزیابی اثر عوامل هیدرومکانیکی و ژئومکانیکی در روش‌های متعارف تحلیل شکافت هیدرولیکی در مخازن نفت. پایان نامه منتشر نشده کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده عمران، گروه ژئوتکنیک.
[17] Harper, P. W.; Hallett, S. R. (2008). Cohesive zone length in numerical simulations of composite delamination. Eng. Fract. Mech (Vol. 75, no. 16, pp. 4774–4792).
[18] Geertsma, J.; De Klerk, F. (2007). A Rapid Method of Predicting Width and Extent of Hydraulically Induced Fractures. J. Pet. Technol. (Vol. 21, no. 12, pp. 1571–1581).
[19] Perkins, T. K.; Kern, L. R. (2007). Widths of Hydraulic Fractures. Journal of Petroleum Technology (Vol. 13, no. 09, pp. 937–949).
[20] Nordgren, R. P. & et.al. (1972). Propagation of a vertical hydraulic fracture. Society of Petroleum Engineers Journal (Vol. 12, no. 04, pp. 306–314).
[21] Barenblatt, G.I. (1962). The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture. Advances in applied mechanics (p. 55-129).
[22] Abaqus User’s Manual, Version 6.14, Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI. 2018.
[23] Deb, Paromita; Salimzadeh, Saeed; Vogler, Daniel; Düber, Stephan; Clauser, Christoph; Settgast, Randolph R. (2021). Verification of Coupled Hydraulic Fracturing Simulators Using Laboratory‑Scale Experiments. Journal of Rock Mechanics and Rock Engineering (vol. 54, p. 2881–2902).
[24] Ren, Qingshan; Jiang, Yaodong; Wang, Pengpeng; Wu, Guangjie; Noraei Danesh, Nima. (2021). Experimental and Numerical Simulation Study of Hydraulic Fracture Propagation during Coalbed
Methane Development. Journal of Geofluids (vol. 2021, 12 pages).
[25] Zhang, Luqing; Zhou, Jian; Braun, Anika; Han, Zhenhue. (2017). Investigation of Processes of Interaction between Hydraulic and Natural Fractures by PFC Modeling Comparing against Laboratory Experiments and Analytical Models. Journal of Energies (vol. 2017, 18 pages).
[26] Bobrova, Maria; Stanchits, Sergey; Shevtsova, Anna; Filev, Egor; Stukachev, Vladimir. (2021). Journal of Geosciences (11, 292. https://doi.org/10.3390/ geosciences11070292).