نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

Application of Extended Finite Element Method for Simulating CrackInitiation and Propagation Mechanism in Hydraulic FracturingProcess

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری در دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشکاه یزد.
2 استاد مکانیک سنگ در دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یزد.
3 استادیار دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یرد
4 دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یزد
5 دانشکده مهندسی معدن، دانشکده فنی، دانشگاه فنی دانشگاه تهران
10.22107/ggj.2025.509057.1250
چکیده
روش اجزای محدود توسعه‌یافته (XFEM) یک روش عددی قدرتمند برای شبیه‌سازی شروع و گسترش ترک به‌ویژه در مخازن نامتعارف هیدروکربنی مانند شیل و سازندهای گاز چگال (tight gas) است. این مطالعه از روش XFEM برای بررسی فرایند گسترش ترک‌های هیدرولیکی استفاده می‌کند و به‌طور خاص بر تأثیر هندسه ترک، از جمله طول و زاویه اولیه آن، بر رفتار شکست تمرکز دارد. برخلاف مطالعات قبلی که عمدتاً به اعتبارسنجی قابلیت کلی XFEM در شبیه‌سازی شکست هیدرولیکی پرداخته‌اند، پژوهش حاضر به درک تأثیر تغییرات هندسی ترک بر ضرایب شدت تنش (SIF)، میدان جابجایی و مسیر گسترش ترک متمرکز است. در این تحقیق به‌جای تأکید بر مزایای عددی شناخته‌شده XFEM، توانایی این روش در مدل‌سازی برهم‌کنش‌های پیچیده بین ترک و سنگ در محیط‌های ناهمگن و با تراوایی پایین مورد توجه قرار گرفته است. چارچوب XFEM امکان بررسی دقیق رشد ترک‌های ناشی از فشار سیال تحت شرایط مختلف مکانیکی و هندسی را فراهم می‌کند. نتایج نشان می‌دهند که افزایش طول ترک منجر به افزایش ضرایب شدت تنش و مقادیر جابجایی شده و در نتیجه، گسترش ترک را تسریع می‌کند. علاوه بر این، زاویه اولیه ترک تأثیر قابل‌توجهی بر مسیرهای گسترش دارد، به‌طوری‌که ترک‌ها تمایل دارند به سمت نواحی با بیشترین تمرکز تنش تغییر مسیر دهند. این یافته‌ها بینش‌های مهمی درباره مکانیک شکست در محیط‌های نامتعارف ارائه می‌دهند و تعامل پیچیده میان هندسه ترک، توزیع تنش و نیروهای هیدرولیکی را آشکار می‌سازند. به‌طور کلی، این مطالعه توان بالقوه XFEM را به‌عنوان یک ابزار مدل‌سازی دقیق و قابل‌اعتماد برای بهینه‌سازی طراحی شکست هیدرولیکی و افزایش بهره‌وری برداشت از مخازن نامتعارف تأیید می‌کند. در مطالعات آینده، پیشنهاد می‌شود تأثیر حرارت (thermal) بر رفتار ترک نیز مدنظر قرار گیرد، چرا که تغییرات دمایی می‌توانند به‌طور چشمگیری بر میدان‌های تنش، ویژگی‌های ماده و رشد ترک در شرایط اعماق زمین تأثیرگذار باشند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Application of Extended Finite Element Method for Simulating Crack Initiation and Propagation Mechanism in Hydraulic Fracturing Process

نویسندگان English

Mohammad Reza Zeerak 1
Mohammad Fatehi Marji 2
Manouchehr Sanei 3
Mehdi Najafi 4
َAbolfazl Abdollahipour 5
1 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University
2 Department of Mining and Metallurgical Engineering,, Yazd University
3 Department of Mining and Metallurgical Engineering , Yazd University
4 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University
5 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

The Extended Finite Element Method (XFEM) is a powerful numerical method for simulating crack initiation and propagation, particularly in unconventional hydrocarbon reservoirs such as shale and tight gas formations. This study utilizes XFEM to investigate the evolution of hydraulic fractures, specifically focusing on the influence of crack geometry, including crack length and initial orientation, on fracture behaviour. Unlike previous works that have primarily aimed to validate the general applicability of XFEM in hydraulic fracturing simulations, the present research centers on understanding how variations in crack geometry affect stress intensity factors (SIFs), displacement fields, and fracture propagation paths. Rather than emphasizing XFEM’s well-known numerical strengths, this study highlights its capacity to capture complex fracture-rock interactions within low-permeability and geologically heterogeneous formations. The XFEM framework enables a detailed examination of fluid-driven crack growth under varying mechanical and geometrical conditions. Results demonstrate that increasing crack length leads to higher SIFs and displacement magnitudes, promoting faster fracture propagation. Furthermore, the initial crack angle significantly alters propagation trajectories, with cracks showing a tendency to reorient toward directions of maximum stress concentration. These findings reveal key insights into fracture mechanics in unconventional settings and underscore the complex interplay between crack geometry, stress distribution, and hydraulic forces. Overall, the study confirms XFEM’s potential as a reliable and accurate modeling tool for optimizing hydraulic fracturing design and enhancing recovery efficiency in unconventional reservoirs. Future research should incorporate thermal effects on fracture behaviour, as temperature variations can significantly influence stress fields, material properties, and crack growth in deep subsurface conditions.

کلیدواژه‌ها English

Extended Finite Element Method (XFEM)
B-K Fracture Criterion
Crack Initiation
Hydraulic Fracturing
Crack Propagation