شبیه‌سازی روش شکست هیدرولیکی به کمک مدل ترک چسبنده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی معدن دانشگاه ارومیه

2 دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران

3 انستیتو مهندسی نفت، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تهران

4 دانشکده مهندسی معدن- دانشگاه تهران

چکیده

فرایند شکست هیدرولیکی یکی از روش های متداول برای افزایش بهره وری چاه های نفتی است. در این روش، اعمال فشار هیدرولیکی در نقطه ی مشخصی از چاه، باعث ایجاد شکستگی هایی در مخازن شده و تراوایی آن افزوده می شود. در این تحقیق، روش شکست هیدرولیکی بر پایه مفاهیم روش المان محدود شبیه‌سازی شده است. بدین منظور با استفاده از نرم‌افزار ABAQUS شرایط معمول عملیات شکست هیدرولیکی در یک مخزن نفتی شبیه‌سازی شده و از تئوری مدل ترک چسبنده با قانون کشش- جدایش المان محدود توسعه یافته برای ایجاد و گسترش شکاف در درون مدل سه‌بعدی المان محدود استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد که فشار شکست سازند با مقدار تحلیلی آن تطابق خوبی دارد. نمودار نرخ نشت سیال سه مرحله زمانی مختلف را نشان می‌دهد که دو مرحله اول، بیان کننده جهش در هدرروی سیال و مرحله سوم نیز هدرروی دینامیکی را نشان می‌دهد. تغییرات فشار سیال در راستای شکاف روند کاهشی را از خود نشان داد به طوریکه در یک ناحیه میزان فشار سیال از فشار منفذی اولیه مخزن کمتر است که ناشی از پدیده تاخیر سیال در نوک شکستگی می‌باشد. در نهایت نیز تحلیل حساسیتی بر روی تعدادی از پارامترهای موثر بر روی فشار شروع شکست انجام شد که با افزایش همه پارامترها به جز نسبت پواسون، فشار شروع شکست نیز بیشتر شد. همچنین با محاسبه تابع حساسیت و فاکتور حساسیت برای هر یک از پارامترها مشخص شد که مدول یانگ بیشترین و ضریب نرخ نشت سیال کمترین تاثیر را بر روی فشار شروع شکست دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Hydraulic Fracturing Method with Cohesive Crack Model

نویسندگان [English]

  • Sajjad Chehreghani 1
  • Hossein Azad Sola 2
  • Behnam sedaee sola 3
  • Mohammad Farouqh Hosseini 4
1 Urmia University
2 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran.
3 Institute of Petroleum Engineering, School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
4 School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

Hydraulic fracturing defined as a process in which a hydraulic loading caused by fluid injection in a part of wells result fracture propagation in the rock. The main purpose of this research is simulation of hydraulic fracturing based on the concepts of Finite Element Method (FEM) and parameters affecting it. For this goal, ABAQUS software has been used to examine hydraulic fracture initiation pressure in a simulated petroleum reservoir in which the cohesive elements theory with traction-separation law existed. To do so, a cohesive crack model has been introduced, govern equations has been discussed and then the way of building a poroelastic three-dimensional model with cohesive elements is described. The results show that the fracture pressure obtained from FEM model is in agreement with the analytical values. Fluid leak- off rate diagram shows three different time steps that the first two steps represent the expression of leak- off jump and third stage shows dynamic leak- off. Fluid pressure changes along the fracture shows a decreasing trend as the fluid pressure is lower than the initial pore pressure due to the phenomenon of fluid-lag at the fracture tip. Finally, a sensitivity analysis was conducted on a number of parameters on the fracture initiation pressure and results show increasing in all parameters except for Poisson's ratio, led to an increase in fracture initiation pressure. Also, the sensitivity function calculations for each of the parameters show that Young's modulus and leak-off coefficient have the highest and lowest effect on fracture initiation pressure, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic fracturing
  • Cohesive Crack Model
  • Traction-Separation Law
  • Sensitivity analysis
آریا، م.  و حسینی، م. 1398. "مدلسازی عددی برای تعیین عوامل موثر بر فشار شروع شکست در عملیات شکست هیدرولیکی." مجله علمی- پژوهشی انجمن زمین شناسی مهندسی ایران جلد دوازدهم(شماره 1): 57-74.
صادقی، ع.، نیکودل ،م. و پهلوان، ب. 1394. "ارزیابی مقاومت کششی با استفاده از نتایج آزمایش شکست هیدرولیکی و مقایسه آن با مقاومت کششی برزیلی و مقاومت بار نقطه ای: مطالعه موردی (سازند آسماری)." مجله علمی-پژوهشی انجمن زمین شناسی مهندسی ایران جلد هشتم(شماره 3 و 4): 65-80.
طاهری‌شکیب، ج., قادری ع. و جلالی‌فر، ح. 1392. آنالیز رشد و توسعه شکاف هیدرولیکی در مخازن شکافدار, کتاب آوا.
هیرمند، م. ر.، 1392. مدل سازی گسترش شکست هیدرولیکی در محیط متخلخل اشباع ترک خورده طبیعی به روش المان محدود توسعه یافته پایان‌نامه کارشناسی ارشد, دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی عمران.
 
ABAQUS, 2011. Cohesive Elements. Abaqus Analysis User’s Manual, Version 6.11-1.
Aghighi, M. A., Valencia, K. J. L., Chen, Z., & Rahman, S. S., 2006. An Integrated Approach to the Design and Evaluation of Hydraulic Fracture Treatments in Tight Gas and Coalbed Methane Reservoirs. Paper presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition.
Asadi, S., Bohloli, B., & Malekijavan, M., 2012. Numerical Investigation of Fracture Initiation And Propagation of Hydraulic Fracturing Based On Fracture Mechanics. Paper presented at the ISRM International Symposium-EUROCK 2012.
Barenblatt, G. I., 1962. The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture. Advances in applied mechanics, 7(1), 55-129.
Carrier, B., & Granet, S., 2012. Numerical modeling of hydraulic fracture problem in permeable medium using cohesive zone model. Engineering fracture mechanics, 79, 312-328.
Chandra, N., Li, H., Shet, C., & Ghonem, H., 2002. Some issues in the application of cohesive zone models for metal–ceramic interfaces. International Journal of Solids and Structures, 39(10), 2827-2855.
Chen, Z., 2012. Finite element modelling of viscosity-dominated hydraulic fractures. Journal of Petroleum Science and Engineering, 88, 136-144.
Chen, Z., Bunger, A., Zhang, X., & Jeffrey, R. G., 2009. Cohesive zone finite element-based modeling of hydraulic fractures. Acta Mechanica Solida Sinica, 22(5), 443-452.
Dugdale, D., 1960. Yielding of steel sheets containing slits. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 8(2), 100-104.
Espinosa, H. D., & Zavattieri, P. D., 2003. A grain level model for the study of failure initiation and evolution in polycrystalline brittle materials. Part I: Theory and numerical implementation. Mechanics of Materials, 35(3), 333-364.
Ghassemi, A., Zhou, X., & Rawal, C., 2013. A three-dimensional poroelastic analysis of rock failure around a hydraulic fracture. Journal of Petroleum Science and Engineering, 108, 118-127.
Guo, B., Lyons, W. C., & Ghalambor, A., 2011. Petroleum production engineering, a computer-assisted approach: Gulf Professional Publishing.
Hillerborg, A., Modéer, M., & Petersson, P.-E., 1976. Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements. Cement and concrete research, 6(6), 773-781.
Ji, L., 2008. Modeling Hydraulic Fracturing Fully Coupled with Reservoir and Geomechanical Simulation: ProQuest.
Kachanov, L., 1958. Time of the rupture process under creep conditions. Isv. Akad. Nauk. SSR. Otd Tekh. Nauk, 8, 26-31.
Needleman, A., 1987. A continuum model for void nucleation by inclusion debonding. Journal of applied mechanics, 54(3), 525-531.
Peška, P., & Zoback, M. D., 1995. Compressive and tensile failure of inclined well bores and determination of in situ stress and rock strength. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978–2012), 100(B7), 12791-12811.
Saberhosseini, S. E., Keshavarzi, R., & Ahangari, K., 2014. A new geomechanical approach to investigate the role of in-situ stresses and pore pressure on hydraulic fracture pressure profile in vertical and horizontal oil wells. Geomechanics and Engineering, 7, 233-246.
Sarris, E., & Papanastasiou, P., 2011. The influence of the cohesive process zone in hydraulic fracturing modelling. International Journal of Fracture, 167(1), 33-45.
Song, S. H., Paulino, G. H., & Buttlar, W. G., 2006. A bilinear cohesive zone model tailored for fracture of asphalt concrete considering viscoelastic bulk material. Engineering Fracture Mechanics, 73(18), 2829-2848.
Wang, H. F., 2000. Theory of linear poroelasticity. Princeton Series in Geophysics, Princeton University Press, Princeton, NJ.
Wangen, M., 2011. Finite element modeling of hydraulic fracturing on a reservoir scale in 2D. Journal of Petroleum Science and Engineering, 77(3), 274-285.
Zhang, J., Biao, F., Zhang, S., & Wang, X., 2012. A numerical study on horizontal hydraulic fracture. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 2(1), 7-13.
Zhao, J., & Zhu, W. (2003). Stability analysis and modelling of underground excavations in fractured rocks (Vol. 1): Elsevier.