بررسی عددی تغییر میدان تنش‌های کل در مخازن نفت تحت اثر فرآیند استخراج، با در نظر گرفتن رفتار غیرخطّی برای سنگ مخزن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران، گرایش مهندسی ژئوتکنیک، دانشگاه صنعتی شریف تهران

2 گروه مهندسی ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف تهران

چکیده

در اثر برداشت از مخازن نفت و گاز زیرزمینی فشار منفذی در مخزن کاهش یافته، و به‌تناسب آن تنش مؤثّر افزایش می‌یابد. اندازه‌گیری‌های میدانی در دو دهة گذشته حاکی از آن است که علاوه‌بر تغییر تنش مؤثّر در محدودة مخزن، میدان تنش‌های کل (Total Stress Field) نیز در داخل و اطراف مخزن می‌تواند تغییر کند. در اثر نشستی که سقف مخزن به‌دلیل وقوع تحکیم متحمّل می‌شود، از پایداری این ناحیه کاسته شده و با کاهش پایداری سقف مخزن در اثر تراکم، این ناحیه ظرفیّت سابق را برای تحمّل وزن روباره (Over-burden) نخواهد داشت. این پدیده موجب "بازتوزیع تنش" (Stress Redistribution) در داخل و اطراف مخزن می‌گردد. علّت رخداد بازتوزیع تنش به پدیدة "قوس‌زدگی تنش" (Stress Arching) نسبت داده می‌شود. با کاهش پایداریِ ناحیة سقف مخزن، بخشی از باری که پیشتر توسط سقف مخزن تحمّل می‌شد به نواحی پایدارتری نظیر جوانب مخزن (Side-burden) منتقل می‌گردد. هدف پژوهش حاضر، بررسی وقوع و چگونگی تغییر در تنش‌های کلّ افقی و قائمِ پیرامون مخازن نفت و گاز در اثر برداشت به‌وسیلة شبیه‌سازی کاملاً همبستة هیدرومکانیکی (HM) می‌باشد. در این تحقیق، جهت شبیه‌سازی بهتر روند استخراج سیّال از مخزن و به‌منظور لحاظ نمودن اثر عملیّات تولید بر خصوصیّات ژئومکانیکی سنگ مخزنِ در حال تخلیه (Depleting Zone) از مدل رفتاری الاستیک غیرخطّی استفاده گردیده‌‌است. در بخش نخستِ این پژوهش، مقایسه‌ای میان مقدار تنش‌های کل در اطراف سه مخزنِ متفاوت از نظر پهنا، در دوره‌های زمانی مختلفِ تولید صورت گرفته‌است. در بخش دوّم، اثر اختلاف میان سختی اوّلیّة سنگ مخزن و سنگ پیرامون آن بر شدّت اثر پدیدة قوس‌زدگی تنش به‌وسیلة در نظر گرفتن سه نسبت سختی متفاوت، مورد بررسی قرار گرفته‌است. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهند که تغییرات در میدان تنش‌های کل قابل توجّه بوده و لحاظ نمودن اثر آن در جنبه‌های مختلف تولید و توسعة میادین (Field Development) ضروری می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Total Stresses Change in Oil Reservoirs due to Extraction, Considering Non-linear Behavior for the Reservoir Rock

نویسندگان [English]

  • Barzin Sharifi 1
  • Ali Pak 2
1 Master's student of geotechnical engineering, Sharif university of technology
2 Geotechnical engineering department, faculty of civil engineering, Sharif university of Technology
چکیده [English]

As a result of extraction from underground oil reservoirs, the pore pressure in the reservoir decreases and the effective stress increases accordingly. Field measurements in the past two decades have shown that in addition to the change of effective stress, the total horizontal and vertical stress field can also change in and around the reservoir. As a result of the settlement that occurs at the upper part of the reservoir due to the consolidation phenomenon, the stability of this area is reduced and it causes “Stress Redistribution” inside and around the reservoir. The mechanism of stress redistribution is attributed to the “Stress Arching” phenomenon. By the stability reduction at the roof of the reservoir due to the compaction, this area will no longer bear the whole over-burden weight. A part of the over-burden is transferred to more stable areas such as the sides of the reservoir. The current research aims to investigate how the total stresses change around oil and gas reservoirs due to the extraction by a fully-coupled hydro-mechanical (HM) simulation. In order to simulate the process of fluid extraction from the reservoir and to consider the effect of production operations on the geo-mechanical properties of the depleting zone, a Non-linear elastic constitutive model has been used. In this research, a comparison is made between the amounts of the total stresses in the surrounding rock of three different reservoirs in terms of width. In addition, the effects of the difference between the initial stiffness of the reservoir rock and the surrounding medium on the intensity of the stress arching phenomenon are investigated by considering three different stiffness ratios. The conducted studies show that the changes in the total stresses are significant and it is necessary to consider their effect on aspects of the production and the development of field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Total Stresses Change
  • Stress Redistribution
  • Stress Arching
  • Fully-Coupled Hydro-Mechanical Simulation
  • Non-Linear Elastic Behavior

مراجع

[1] Fjaer, E., Holt, R. M., Horsrud, P., & Raaen, A. M. (2008). Petroleum related rock mechanics. Elsevier.
[2] طاهری، س. ر.، پاک، ع.، و شاد، س. (1397). مطالعه و بررسی توزیع زمانی و مکانی فرونشست زمین در فرآیند برداشت از میدان نفتی کوپال،  نشریة پژوهش نفت، 101، 4 تا 16.
[3] Dusseault, M. B., Bruno, M. S., & Barrera, J. (2001). Casing shear: causes, cases, cures. SPE Drilling & Completion, 16(02), 98-107.
[4] Holt, R. M., Flornes, O., Li, L., & Fjær, E. (2004, June). Consequences of depletion-induced stress changes on reservoir compaction and recovery. In Gulf rocks 2004, the 6th north America rock mechanics symposium (NARMS). OnePetro.
[5] Taherynia, M. H., Fatemi Aghda, S. M., Fahimifar, A., & Koopialipoor, M. (2022). Investigation of Stress Arching Above Depleting Hydrocarbon Reservoirs and Its Effect on the Compaction Drive Mechanism. Geotechnical and Geological Engineering, 40(1), 259-272.
[6] Settari, A. (2002). Reservoir compaction. Journal of petroleum technology, 54(08), 62-69.
[7] Goulty, N. R. (2003). Reservoir stress path during depletion of Norwegian chalk oilfields. Petroleum Geoscience, 9(3), 233-241.
[8] Segall, P., & Fitzgerald, S. D. (1998). A note on induced stress changes in hydrocarbon and geothermal reservoirs. Tectonophysics, 289(1-3), 117-128.
[9] Bruno, M. S. (1992). Subsidence-induced well failure. SPE Drilling Engineering, 7(02), 148-152.
[10] Segall, P. (1985). Stress and subsidence resulting from subsurface fluid withdrawal in the epicentral region of the 1983 Coalinga earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 90(B8), 6801-6816.
[11] Dusseault, M. B. (2011). Geomechanical challenges in petroleum reservoir exploitation. KSCE Journal of Civil Engineering, 15(4), 669.
[12] Asaei, H., Moosavi, M., & Aghighi, M. A. (2018). A laboratory study of stress arching around an inclusion due to pore pressure changes. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 10(4), 678-693.
[13] Segura, J. M., Fisher, Q. J., Crook, A. J. L., Dutko, M., Yu, J. G., Skachkov, S., ... & Kendall, J. M. (2011). Reservoir stress path characterization and its implications for fluid-flow production simulations.
[14] Wang, F., Li, X., Couples, G., Shi, J., Zhang, J., Tepinhi, Y., & Wu, L. (2015). Stress arching effect on stress sensitivity of permeability and gas well production in Sulige gas field. Journal of Petroleum Science and Engineering, 125, 234-246.
[15] Soltanzadeh, H., & Hawkes, C. D. (2009). Induced poroelastic and thermoelastic stress changes within reservoirs during fluid injection and production. Porous media: heat and mass transfer, transport and mechanics, 2009, 27-57.
[16] Teufel, L. W., Rhett, D. W., & Farrell, H. E. (1991, July). Effect of reservoir depletion and pore pressure drawdown on in situ stress and deformation in the Ekofisk field, North Sea. In The 32nd US Symposium on Rock Mechanics (USRMS). OnePetro.
[17] Salz, L. B. (1977, October). Relationship between fracture propagation pressure and pore pressure. In SPE annual fall technical conference and exhibition. OnePetro.
[18] Yerkes, R. F., & Castle, R. O. (1976). Seismicity and faulting attributable to fluid extraction. Engineering Geology, 10(2-4), 151-167.
[19] Geertsma, J. (1973). Land subsidence above compacting oil and gas reservoirs. Journal of petroleum technology, 25(06), 734-744.
[20] Eshelby, J. D. (1957). The determination of the elastic field of an ellipsoidal inclusion, and related problems. Proceedings of the royal society of London. Series A. Mathematical and physical sciences, 241(1226), 376-396.
[21] Segall, P., Grasso, J. R., & Mossop, A. (1994). Poroelastic stressing and induced seismicity near the Lacq gas field, southwestern France. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 99(B8), 15423-15438.
[22] Rudnicki, J. W. (1999, August). Alteration of regional stress by reservoirs and other inhomogeneities: stabilizing or destabilizing?. In 9th ISRM Congress. OnePetro.
[23] Rudnicki, J. W. (2020). Eshelby transformations, pore pressure and fluid mass changes, and subsidence. In Poromechanics II (pp. 307-312). CRC Press.
[24] Soltanzadeh, H., & Hawkes, C. D. (2007, May). Predicting the stress changes induced by fluid production and injection in porous reservoirs. In 1st Canada-US Rock Mechanics Symposium. OnePetro.
[25] Soltanzadeh, H., & Hawkes, C. D. (2008). Semi-analytical models for stress change and fault reactivation induced by reservoir production and injection. Journal of Petroleum Science and Engineering, 60(2), 71-85.
[26] Morita, N., Whitfill, D. L., Nygaard, O. A., & Bale, A. (1989). A quick method to determine subsidence, reservoir compaction, and in-situ stress induced by reservoir depletion. Journal of Petroleum Technology, 41(01), 71-79.
[27] Mulders, F. M. M. (2003). Modelling of stress development and fault slip in and around a producing gas reservoir.
[28] Li, S., Sauer, R. A., & Wang, G. (2007a). The Eshelby tensors in a finite spherical domain—part I: theoretical formulations.
[29] Li, S., Wang, G., & Sauer, R. A. (2007b). The Eshelby tensors in a finite spherical domain—Part II: applications to homogenization.
[30] پژوهشکدة بالادستی نفت دانشگاه صنعتی شریف. (1396). شناخت مسئله، تجزیه و تحلیل اطّلاعات، گزارش تاریخچة تولید، پروژة افزایش ضریب بازیافت مخزن بنگستان میدان کوپال با روش‌های فنّاورانة پایه‌آبی/گازی، کارفرما: شرکت ملّی مناطق نفت‌خیز جنوب.
[31] Mehrgini, B., Memarian, H., Dusseault, M. B., Eshraghi, H., Goodarzi, B., Ghavidel, A., ... & Hassanzadeh, M. (2016). Geomechanical characterization of a south Iran carbonate reservoir rock at ambient and reservoir temperatures. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 34, 269-279.
[32] Wang, W. (2011). Reservoir characterization using a capacitance resistance model in conjunction with geomechanical surface subsidence models (Doctoral dissertation).
[33] Ketelaar, V. G. (2009). Satellite radar interferometry: Subsidence monitoring techniques (Vol. 14). Springer Science & Business Media.
 
نشریه علمی ژئومکانیک نفت
دوره 6، شماره 1
فروردین 1402
صفحه 13-31

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار