مدلسازی فیزیکی و مطالعه آزمایشگاهی تأثیر رژیم تنش ها بر شکست هیدرولیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

چکیده

شکست هیدرولیکی، یکی از مهم ترین روش های تحریک مخازن نفت و گاز می باشد که برای افزایش جریان سیال از مخازن با تراوایی پایین به سمت چاه استفاده می شود. عوامل مختلفی، همچون رژیم تنش ها، درزه ها و شکستگی های طبیعی سازند، رئولوژی سیال، خواص مکانیکی سازند، شدت جریان سیال تزریقی و مشبک کاری بر روی فشار و هندسه شکست هیدرولیکی تأثیرگذار هستند. در این تحقیق، برای بررسی آزمایشگاهی تأثیر رژیم تنش ها بر شکست هیدرولیکی، با در نظر گرفتن شرایط مخزن، دستگاه سه محوره ای طراحی و ساخته شد. این دستگاه، توانایی اعمال تنش های ناهمسانگرد برجای زمین در مقیاس آزمایشگاهی را دارا می باشد. سپس 32 نمونه مکعبی سیمانی با ابعاد 10×10×10 سانتیمتر ساخته شد و تأثیر رژیم تنش ها، بر روی هندسه و فشار شکست هیدرولیکی، نمودار فشار-زمان و نحوه گسترش ریز ترک ها و شکستگی های متقاطع در دو حالت چاه قائم و افقی بررسی شد. نتایج مطالعات آزمایشگاهی نشان داد، با افزایش تنش افقی حداکثر در چاه قائم، فشار شکست، یک روند افزایشی- کاهشی و در چاه افقی، فشار شکست، یک روند تقریباً کاهشی را نشان می دهد. در چاه قائم، تأثیر تنش افقی حداکثر بر روی فشار شکست، بیشتر از تنش قائم است، در حالی که در چاه افقی، تأثیر تنش قائم، بیشتر از تنش افقی است. همچنین، با کاهش تنش تفاضلی افقی، در هر دو چاه قائم و افقی، ریز ترک ها و ترک های شاخه ای کوتاه بیشتر می شود. بررسی های آزمایشگاهی این تحقیق با استفاده از مواد شبه سنگی، رفتار مواد سنگی مطالعات قبلی را تأیید می کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A laboratory study of the effects of stress regimes on hydraulic fracturing

نویسندگان [English]

  • Mohammad Darbor
  • Hadi Shakeri
Mining Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Hydraulic fracturing is one of the most important stimulation methods for oil and gas reservoirs to increase fluid flow from low permeability reservoirs to wellbores. Various factors, such as in-situ stresses, joints and natural fractures of the formation, fluid rheology, mechanical properties of the formation, injection fluid flow rate and perforation operation, effect on the pressure and hydraulic fracture geometry. In this research, for the experimental investigation of the hydraulic fracturing, considering the reservoir condition, a three-axial machine with the ability to apply the main stresses was designed and built. Then, 32 concrete cubic samples with 10 × 10 × 10 cm dimensions were constructed and cured in the laboratory and the effect of the in-situ stress field and stress regime on the geometry and breakdown pressure, the pressure-time diagram, the pattern of crack propagation and finally the cross fractures in both vertical and horizontal wellbores were investigated. The results showed that increasing the maximum horizontal stress in the vertical wellbore leads to increased breakdown pressure and increasing deviatoric stress in the horizontal wellbore reduces the breakdown pressure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Physical modelling
  • hydraulic fracturing
  • stress regime
  • breakdown pressure
  • fracture geometry

مراجع

Abdollahipour, A., Fatehi Marji, M., Bafghi, A. Y., & Gholamnejad, J. (2016). Time-dependent crack propagation in a poroelastic medium using a fully coupled hydromechanical displacement discontinuity method. International Journal of Fracture, 199(1), 71-87.
API Technical Report. (2009). Hydraulic fracturing operations-well construction and integrity guidelines. Washington, DC: American Petroleum Institute.
Bakhshi, E., Rasouli, V., Ghorbani, A., Fatehi Marji, M., Damjanac, B., & Wan, X. (2019). Lattice numerical simulations of lab-scale hydraulic fracture and natural interface interaction. Rock Mechanics and Rock Engineering, 52(5), 1315-1337.
Behnia, M., Goshtasbi, K., Golshani, A. A., & Fatehi Marji, M. (2013). Experimental investigations of hydraulic fracturing propagation in multi-layer formation. Modares Civil Engineering journal, 13(3), 123.
Beugelsdijk, L. J. L., de Pater, C. J., & Sato, K. (2000). Experimental hydraulic fracture propagation in a multi fractured medium. In the SPE Asia Pacific Conference on Integrated Modelling for Asset Management, Yokohama, Japan.
Bohloli, B., & de Pater, C. J. (2006). Experimental study on hydraulic fracturing of soft rocks: Influence of fluid rheology and confining stress. Journal of Petroleum Science and Engineering, 53 (1-2), 1-12.
Chitrala, Y., Moreno, C., Sondergeld, C., & Rai, C. (2013). An experimental investigation into hydraulic fracture propagation under different applied stresses in tight sands using acoustic emissions. Journal of Petroleum Science and Engineering, 108, 151-161.
Clark, J. B. (1949). A hydraulic process for increasing the productivity of wells. Petroleum Transactions, AIME, 186, 1-8.
Damani, A., Sharma, A., Sondergeld, C. H, & Rai, C. S. (2012). Mapping of hydraulic fractures under triaxial stress conditions in laboratory experiments using acoustic emissions. In the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Texas, USA.
Dehghan, A. N., Goshtasbi, K., Ahangari, K., & Jin, Y. (2015). Experimental investigation of hydraulic fracture propagation in fractured blocks. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 74 (3), 887-895.
Doe, T. W., & Boyce, G. (1989). Orientation of hydraulic fractures in salt under hydrostatic and non - hydrostatic stresses. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 26 (6), 605-611.
Fallahzadeh, S. H., Rasouli, V., & Sarmadivaleh, M. (2015). An investigation of hydraulic fracturing initiation and near-wellbore propagation from perforated boreholes in tight formations. Rock Mechanics and Rock Engineering, 48, 573-584.
Fatehi Marji, M. (2013). On the use of power series solution method in the crack analysis of brittle materials by indirect boundary element method. Engineering Fracture Mechanics, 98, 365-382.
Fatehi Marji, M. (2014). Numerical analysis of quasi-static crack branching in brittle solids by a modified displacement discontinuity method. International Journal of Solids and Structures, 51(9), 1716-1736.
Fatehi Marji, M. (2015). Simulation of crack coalescence mechanism underneath single and double disc cutters by higher order displacement discontinuity method. Journal of Central South University, 22(3), 1045-1054.
Fjar, E., Holt, R. M., Raaen, A. M., Risnes, R., & Horsrud, P. (2008). Petroleum related rock mechanics. 2nd Edition, Elsevier Science publishers B.V, Netherlands.
Ha, S. J., Yun, T. S., Kim, K. Y., & Jung, S. G. (2017). Experimental study of pumping rate effect on hydraulic fracturing of cement paste and mortar. Rock Mechanics and Rock Engineering, 50, 3115-3119.
Haeri, H., Khaloo, A., & Fatehi Marji, M. (2015a). Experimental and numerical simulation of the microcrack coalescence mechanism in rock-like materials. Strength of Materials, 47(5), 740-754.
Haeri, H., Khaloo, A., & Fatehi Marji, M. (2015b). Fracture analyses of different pre-holed concrete specimens under compression. Acta Mechanica Sinica, 31(6), 855-870.
Haeri, H., Shahriar, K., Fatehi Marji, M., & Moarefvand, P. (2014). On the crack propagation analysis of rock like Brazilian disc specimens containing cracks under compressive line loading. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(8), 1400-1416.
Haimson, B., & Fairhurst, C. (1969). Hydraulic fracturing in porous-permeable materials. Journal of Petroleum Technology, 21(7), 811-817.
Hossain, M. M., Rahman, M. K., & Rahman, S. S. (2000). Hydraulic fracture initiation and propagation: roles of wellbore trajectory, perforation and stress regimes. Journal of Petroleum Science and Engineering, 27(3-4), 129-149.
Hosseini Nasab, H., Fatehi Marji, M. (2007). A semi-infinite higher-order displacement discontinuity method and its application to the quasistatic analysis of radial cracks produced by blasting. Journal of Mechanics of Materials and Structures, 2(3), 439-458.
Jalili, S., & Ahangari, K. (2017). Effects of different stress regimes on hydraulic fracture geometry: a particle flow code approach. Innovative Infrastructure Solutions, 2(41).
Li, X., Feng, Z., Han, G., Elsworth, D., Marone, C., Saffer, D., & Cheon, D. S. (2016). Breakdown pressure and fracture surface morphology of hydraulic fracturing in shale with H2O, CO2 and N2. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, 2, 63-76.
Montgomeri, C. T., & Smith, M. B. (2010). NSI technologies, hydraulic fracturing: history of an enduring technology. Technical Report JPT, JPT.
Moradi, A., Tokhmechi, B., Rasouli, V., Fatehi Marji, M. (2017). A comprehensive numerical study of hydraulic fracturing process and its affecting parameters. Geotechnical and Geological Engineering, 35(3), 1035-1050.
Moradi, A., Tokhmechi, B., Rasouli, V., Fatehi Marji, M. (2018). Displacement discontinuity analysis of the effects of various hydraulic fracturing parameters on the crack opening displacement (COD). Journal of Petroleum Science and Technology, 8(3), 3-13.
Olson, J. E., & Bahorich, B. (2012). Examining hydraulic fracture: Natural fracture interaction in hydrostone block experiments. In the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference, Texas, USA.
Warpinski, N. R., Clark, J. A., Schmidt, R. A., & Huddle, C. W. (1982). Laboratory investigation on the effect of in-situ stresses on hydraulic fracture containment. Society of Petroleum Engineers Journal, 22(3), 333-340.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار