ارزیابی مقاومت کششی با استفاده از نتایج آزمایش شکست هیدرولیکی و مقایسه آن با مقاومت کششی برزیلی و مقاومت بار نقطه‌ای: مطالعه موردی (سازند آسماری)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد زمین‌شناسی مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران،

2 استادیار،‌ گروه زمین‌شناسی مهندسی دانشکده علوم پایه دانشگاه تربیت مدرس nikudelm@yahoo.com

3 دکترای زمین‌شناسی مهندسی، مدیرعامل شرکت مهندسین مشاور گمانه کاو، تهران

چکیده

امروزه به دلیل اهمیت منابع هیدروکربنی و بالا رفتن نرخ مصرف در جهان، نیاز به بالا بردن استخراج این مواد بیش از پیش احساس می​شود. از طرفی وجود سازندهای با تخلخل موثر پایین که سنگ مادر مخازن هیدروکربنی محسوب می­شوند، مانع از بهره­وری مناسب از این مخازن می‌گردند. شکست هیدرولیکی که به عنوان یک فرایند آغاز و گسترش شکستگی­ها در اثر تزریق سیال به درون قسمتی از گمانه حفر شده در سازندهای سنگی شناخته می​شود، نقش موثری در افزایش استحصال مخازن هیدروکربنی کم بازده دارا می­باشد. آغاز و گسترش شکستگی­ها وابستگی بالایی به پارامترها و خصوصیات سنگ مخزن دارند. از میان این پارامترها می​توان به مواردی همچون جنس سنگ­های تشکیل دهنده، مقاومت کششی سنگ­ها، فشارمنفذی درون سنگ و غیره اشاره نمود. اهمیت مقاومت کششی سنگ به منظور پیش­بینی فشار شکست آزمایش شکست هیدرولیکی بسیار بالا بوده و خود این پارامتر نیز تابع سنگ­شناسی سنگ مخزن می­باشد. از این روی در این پژوهش با نمونه­گیری از مقطع تیپ سازند آسماری به بررسی و ارزیابی پارامتر فشار شکست به عنوان تابعی از پارامترهای مقاومت کششی سنگ و سنگ‌شناسی پرداخته شده است. با دستیابی به مقاومت کششی سنگ از آزمایش شکست هیدرولیکی به مقایسه آن با مقاومت کششی برزیلی و مقاومت بارنقطه­ای پرداخته شده است. اختلاف میان این نسبت­ها نشان از وابستگی پارامتر مقاومت کششی به روش آزمایش دارد. مقاومت کششی به دست آمده از آزمایش شکست هیدرولیکی برای این سازند حدوداً برابر با 20 مگاپاسکال و نسبت میان مقاومت کششی شکست هیدرولیکی به برزیلی معادل 35/2 می­باشد. با توجه به حفرات کارستی ریز در ساختار این سنگ­ها و به تبع آن تخلخل نسبتاً پایین این سازند و همچنین وجود حفرات درون ذره­ای به دلیل وجود فسیل در ساختار سنگ، اختلاف ناچیز در پراکندگی داده­ها و ضریب رگرسیونی 9/0 را می­توان بدین دلیل دانست. تمام شواهد اعم از نتایج خصوصیات فیزیکی و مکانیکی اثبات کننده تأثیر سنگ‌شناسی بر نتایج مقاومت کششی بدست آمده از آزمایش شکست هیدرولیکی می­باشد. همچنین می­توان از آزمایش برزیلین برای ارزیابی تنش‌های مورد نیاز جهت شکست هیدرولیکی استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of tensile strength using hydraulic fracturing test results and its comparison with Brazilian tensile strength and point load strength, case study: Asmari formation

نویسندگان [English]

  • Erfan Sadeghi 1
  • Mohammadreza Nikudel 2
  • Badil Pahlavan 3
1 MSc Student of Engineering Geology, Department of Engineering Geology, Tarbiat Modares University
2 Assistant professor, Department of Engineering Geology, Tarbiat Modares University, nikudelm@modares.ac.ir
3 PhD of Engineering Geology, Gamane – Kav Consultant Engineers Company, Tehran
چکیده [English]

 
Nowadays, the need to enhance the exploitation of hydrocarbon resources due to importance and increase in the rate of consumption of this material is more crucial than ever. On the other hand, the rock formations with low effective porosity, which are considered as hydrocarbon reservoirs prevented to have a suitable productivity of these reservoirs. Hydraulic fracturing is known as a process of initiation and propagation of fractures caused by fluid injection into the part of the boreholes in rock formations, which has an important role in increasing of the exploitation of hydrocarbon reservoirs with low efficiency. Initiation and propagation fractures have a high dependency to the parameters and properties of reservoir rocks. Among these parameters can mention, such as rock material, rock tensile strength, pore pressure and etc. Importance tensile strength of rock for predicting the breakdown pressure of hydraulic fracturing test is remarkable and this parameter is a function of lithology of reservoir rock. Hence, in this study with sampling at typical section of Asmari formation, evaluation of breakdown pressure parameter as a function of rock tensile strength and lithology parameters has been paid. The ratio of hydraulic fracturing tensile strength to Brazilian test tensile strength and Point load test allows prediction of the tensile strength and is an important parameter for simulation of hydraulic fracturing test results. Comparison of these ratios shows that the tensile strength parameter is dependent on the test method. Rock tensile strength that obtained from hydraulic fracturing test is 20.08 MPa and proportion between tensile strength of hydraulic fracturing test to Brazilian test is equal to 2.35. Slight differences in the distribution of data and regression coefficient 0.9 are due to the small karst cavities, relatively low porosity and intragranular voids because of fossils in the rock structure. All evidences, including the results of physical and mechanical properties reveal the influence of lithology on the results of tensile strength obtained from hydraulic fracturing test.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic fracturing
  • Asmari Formation
  • Brazilian test
  • Rock tensile strength

آقانباتی، س.ع.، 1383. زمین‌شناسی ایران، انتشارات سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور، 706ص.

شرکت ملی نفت ایران، 1345، نقشه زمین‌شناسی کوه آسماری، 250000/1.

قبادی، م.ح.، رجب پور، م.، 1378. انحلال پذیری و گسترش ناپیوستگیها در توده سنگهای آهکی محل سد شهید عباسپور (کارون 1)، مجموعه مقالات هیجدهمین گردهمایی علوم زمین، صفحات  1004-999، سازمان زمین‌شناسی کشور. تهران.

Anderson, G.D., Larson, D.B., 1978. Laboratory experiments on hydraulic fracture growth near an interface. Proe. 19th US  Syrup. on Rock Mechanics, Mackay School of Mines, University of Nevada, pp. 333-339.

Anderson, G.D., 1981. Effects of friction on hydraulic fracture growth near unbonded interfaces in rocks. Society of Petroleum Engineers, 21: 21-29.

Avasthi, J.M., 1981. Hydrofracturing in Inhomogeneous, Anisotropic and Fracture Rocks. Ph.D. Thesis, The University of Wisconsin- Madison.

Behrmann, L.A., Elbel, J.L., 1991. Effect of perforations on fracture initiation. Journal of Petroleum Technology, 43: 608-615.

Blanton, T.L., 1982. An experimental study of interaction between hydraulically induced and preexisting fractures. Paper SPE 10847 presented at the SPE/DOE Unconventional Gas Recovery Syrup., Pittsburgh, PA.

Blanton, T.L., 1986. Propagation of hydraulically and dynamically induced fractures in naturally fractured reservoirs. Society of Petroleum Engineers, 26: 613-621

Bohloli, B., de Pater, C.J., 2006. Experimental study on hydraulic fracturing of soft rock: Influence of fluid rheology and confining stress, Journal of petroleum Science and Engineering, 53: 1-12.

Boyce, G.M., Doe, T.W., Majer, E., 1984. Laboratory hydraulic fracturing stress measurement in salt. Rock Mechanics in Productivity and Protection, Proceeding of 25th U.S. Syrup. on Rock Mechanics, Northwestern University, pp. 95-102.

Carvalho, E., Bendezu, M., De Oliveira, M., Roehl, D., Sousa Jr, L., 2010. Finite Element Modeling Of Hydraulic Fracturing In Vertical Wells, Argentine Association Of Computational Mechanics, xxix: 8571-8578.

Cheung, L.S., Haimson, B.C., 1989. Laboratory study of hydraulic fracturing pressure data--how valid is their conventional interpretation? International  Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanic, 26: 595-604.

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.

Daneshy, A.A., 1973. A study of inclined hydraulic fractures. Society of Petroleum Engineers, 13: 61-68.

Daneshy, A.A., 1978. Hydraulic fracture propagation in layered formations. Society of Petroleum Engineers, 18: 33-41.

Davis, R., Foulger, G., Bindley, A., Styles, P., 2013. Induced seismicity and hydraulic fracturing for the recovery of hydrocarbons. Journal of Marine and Petroleum Geology, 45: 171-185.

Guangqing, Z., Mian, C., 2009. Complex fracture shapes in hydraulic fracturing with orientated perforations, Petroleum Exploration and Development, 36(1): 103-107.

Haimson, B.C., Zhao, Z., 1991. Effect of borehole size and pressurization rate on hydraulic fracturing breakdown pressure. Rock Mechanics as a Multidisciplinary Science, Proc. 32nd U.S. Symposium on Rock Mechanics, University of Oklahoma. Norman, pp. 191-200.

Haimson, B.C., 1968. Hydraulic Fracturing in Porous and Nonporous Rock and its Potential for Determining In Situ Stresses at Great Depth. Ph.D. Thesis, University of Minnesota, U.S.A.

Hanson, M.E., Anderson, G.D., Shaffer, R.J., Thorson, L.D., 1982. Some effects of stress, friction, and fluid flow on hydraulic fracturing. Society of Petroleum Engineers, 22: 321-332.

Hanson, M.E., Shaffer, R.J., Anderson, G.D., 1981. Effects of various parameters on hydraulic fracturing geometry. Society of Petroleum Engineers, 21: 435-443.

Huang, B., Liu, C., Fu, J., Guan, H., 2011. Hydraulic fracturing after water pressure control blasting for increased fracturing, International , Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48: 976-983.

Johnson, E., Cleary, M.P., 1991. Implications of recent laboratory experimental results for hydraulic fractures, Paper SPE 21846 presented at the Rocky Mountain Regional Meeting and Low- Permeability Reservoirs Syrup., Denver, CO.

Komar, C.A.,Frohne, K.H., 1973. Factors controlling fracture orientation in sandstone. Paper SPE 4567 presented at the 1973 SPE Annual Meeting, Las Vegas, NV.

Lamout, N., Jessen F. W., 1963. The effects of existing fractures in rocks on the extension of hydraulic fractures. Trans. AIME 22.8, 000-000.

Lockner, D., Byerlec J.D., 1977. Hydrofraeture in Weber sandstone at high confining pressure and differential stress. Journal of Geophysics Research. 82: 2018-2026

Medlin, W.L., Mass, L., 1984. Laboratory experiments in fracture propagation. SPE Paper No.10377, Society of Petroleum Engineers Journal, 24: 256-268.

Medlin, W.L., Masse L., 1979. Laboratory investigation of fracture initiation pressure and orientation. Society of Petroleum engineers, 19: 129-144.

Nasehi, M., Mortazavi, A., 2013. Effects of in-situ stress regime and intact rock strength parameters on the hydraulic fracturing, Journal of Petroleum Science and Engineering, 108: 211-221.

Rubin, M. B., 1983. Experimental  study  of  hydraulic  fracturing  in  an impermeable  material.  Journal of  Energy  Resource  Technology, 105: 116-124.

Rummel, F., 1987. Fracture mechanics approach to hydraulic fracturing stress measurements in fracture mechanics of rock (ed. Atkinson), Acad. Press London, 217-239.

Scott, P.P., Bearden, W.G., Howard, C.G., 1953. Rock rupture as affected by fluid properties. Transactions of AIME, 198: 111-122.

Sehmitt, D.R., Zoback, M.D., 1989. Poroelastic effects in the determination of the maximum horizontal principal stress in hydraulic fracturing tests-a proposed breakdown equation employing a modified effective stress relation for tensile failure. Intetnational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomech Abstract, 26: 499-506.

Sheng, M., Li, G., Huang, Z., Tian, S., Qu, H., 2013.Experimental study on hydraulic isolation mechanism during hydra-jet fracturing, Experimental Thermal and Fluid Science, 44: 722-726.

Shimizu, H., Murata, S., Ishida, T., 2011. The distinct element analysis for hydraulic fracturing in hard rock considering fluid viscosity and particle size distribution, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48(5): 712-727.

Solberg, P., Lockner, D., Byerlee, J., 1977. Shear and tension hydraulic fractures in low permeability rocks. Pure Applied Geophysics, 115: 191-198.

Sun, K., Tan, J., Wu, D., 2012. The Research on Dynamic Rules of Crack Extension during Hydraulic Fracturing for Oil Shale In-Situ Exploitation, Procedia Environmental Sciences, 12(B): 736-743.

Tao, Q., Bryant, S.L., 2013. Effect of Hydraulic Fracturing Orientation in Surface Dissolution Process. Energy Procedia, 37: 4620-4627.

Teufel, L.W., Clark, J.A., 1984. Hydraulic fracture propagation in layered rock: experimental studies of fracture containment. Society of Petroleum Engineers, 24: 19-32.

Von Sehonfeldt, H.A., 1970. An Experimental Study of Open-hole Hydraulic Fracturing as a Stress Measurement Method--with Particular Emphasis on Field Tests. Ph.D. Thesis, University of Minnesota, U.S.A.

Warpinski, N.R., Clark, J.A., Schmidt, R.A., Huddle, L.W., 1981. Laboratory investigation on the effect of in situ stresses on hydraulic fracture containment. Paper SPE 9834 presented at the 1981 SPE/DOE Low Permeability Syrup., Renver, CO.

Warpinski, N.R., Teufel, L.W., 1987. Influence of geologic discontinuities on hydraulic fracture propagation. Journal of  Petroleum Technology, 39: 209-220.

Xiang, J., 2011. A PKN Hydraulic Fracture Model Study and Formation Permeability Determination. Master's thesis, Texas A&M University.

Yunjin, H., Guolong, C., Weiping, C., Zhenjun, Y., 2014. Simulation of hydraulic fracturing in rock mass using a smeared crack model. Computers & Structures, 137: 72-77.

Zhang, G., Chen, M., 2010.Dynamic fracture propagation in hydraulic re-fracturing. Journal of petroleum Science and Engineering, 70: 266-272.

Zhang, G.M., Liu, H., Zhang, J., Wu, H.A., Wang, X.X., 2010. Three-dimensional finite element simulation and parametric study for horizontal well hydraulic fracture. Journal of Petroleum Science and Engineering, 72(3–4): 310-317.

Zoback, M.D., Rummel, F., Jung. R., Raleigh, C.B., 1977. Laboratory hydraulic fracturing experiments in intact and pro-fractured rock. Intetnational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomech Abstract, 14: 49-58.