Skip to main content
SUPERVISOR
MohammadReza Forouzan,Lohrasb Faramarzi
محمدرضا فروزان (استاد راهنما) لهراسب فرامرزی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Iman Shafaei zadeh
ایمان شفائی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
A two-dimensional (2D) eXtended Finite Element Method (XFEM) simulation is presented for propagation of hydraulic fractures from wellbore that the minimum principal in-situ stress is in horizontal plane. One primary role of hydraulic fracturing is to provide a high conductivity pathway along which reservoir fluids can flow to the well. The prediction of crack initiation, fracture path in the near wellbore region and competition of multiple cracks, are very important for success in hydraulic fracturing process. So, we used enriched elements to predict the propagation of perforation crack without remeshing, however in traditional techniques (FEM), the fracture path should be predefine and need to remeshing and applying special elements for crack tip. On the other hand, analysis the crack propagation in FEM is more complexity than simulation with XFEM method. In this study, enriched pore pressure element has been applied with a maximum principal stress damage criterion, for initiation and evolution of crack in Abaqus6.12. The properties and input data for rock models were extracted experimentally from Ahwaz-Bangestan wellbore specimens. The specifications of crack initiation were studied by analyzing the rock model without any crack or flaw. In order to focus on propagation and competition of perforation crack, we designed two kinds of models with predefined perforation cracks and applied Haimson and Rummel in-situ stresses. For all cases, the victor crack in competition of multiple cracks, were the perforation cracks that were near to the direction of maximum compressive in-situ stress in horizontal plane and the crack initiated at this direction. For this case, our analysis demonstrates that the misalignment angle and the position of perforation cracks play an important role in near wellbore fracture path and pressure diagram. In addition to that, the predefined crack reoriented to the direction of maximum compressive in-situ stress (perpendicular to minimum in-situ stress) with smooth path, dependence on difference of maximum and minimum in-situ stresses in horizontal plane. Also, the stress intensity factor versus increasing the crack length were rather constantly, that based on using maximum principal stress damage criterion and fundamental of fracture mechanic, this procedure is reasonable. Our results show that the stress condition of borehole and pore pressure play primary role for specification of crack near wellbore, because by adding the pore pressure to rock models, the pressure of injection fluid decreased. These results are in close agreement with the experimental data and pervious researcher results, in spite of, our procedure is more efficiency, flexible and simple. key Words Hydraulic Fracturing, XFEM, Pore Pressure Element, Rock Mechanics, Crack Initiation, Perforation Crack Path, Abaqus6.12
عملیات شکست هیدرولیکی از جمله روش‌هایی است که برای در صنایع بالادستی و به منظور افزایش بازده تولید مخازن نفت و گاز به‌کار می رود. با وجود قدمت مخازن ایران و کاهش میزان تولید در بعضی از مخازن و هم‌چنین هزینه استخراجی بالای آن‌ها، تا کنون عملیات شکست هیدرولیکی بر روی آن‌ها انجام نشده‌است. از این‌رو پروژه حاضر، با هدف شبیه‌سازی فرایند شکست هیدرولیکی به روش اجزاء محدود تعریف شده‌است، به امید آن‌که آغازی بر تحقیقات و زمینه‌ای برای اجرای موفق عملیات شکست هیدرولیکی در این مرز و بوم باشد. در شبیه‌سازی انجام‌شده از اطلاعات آزمایشگاهی سنگ مخزن چاه بنگستان اهواز به عنوان داده‌های ورودی استفاده شده و مدل دوبعدی کرنش‌صفحه‌ای برای تحلیل فرایند شکست هیدرولیکی در نرم‌افزار Abaqus6.12 طراحی شده‌است. تنش‌های درجا از روابط رایج پیشنهاد شده استخراج گردیده و فشار منفذی و تخلخل برای مدل همگن الاستیک در نظر گرفته شده‌است. به منظور تحلیل و بررسی مکانیزم جوانه‌زنی و رشد ترک، برای نخستین بار در این زمینه از روش نوین اجزاء محدود توسعه یافته (XFEM) استفاده‌شده تا برای شبیه‌سازی ترک به مش‌بندی ویژه‌ای نیاز نباشد. هم‌چنین از مدل آسیب بر مبنای تنش اصلی بیشینه به عنوان معیار ترک استفاده شده‌است. در این پژوهش مدل‌هایی با ترک اولیه و بدون ترک اولیه، تحت شرایط مختلف تحلیل و اثر پارامترهایی نظیر تنش‌های درجا، فشار منفذی، موقعیت ترک‌های اولیه و خصوصیات مکانیکی سنگ مورد بررسی قرار‌گرفت. بر این اساس، راستای بحرانی برای جوانه‌زنی و رشد ترک، راستای عمود بر تنش کمینه درجا به‌دست‌آمد و در رقابت ترک‌های اولیه زاویه‌دار نسبت به راستای بحرانی، ترک‌هایی که نزدیک‌تر به راستای بحرانی بودند، رشد کردند، چرا که بر طبق نمودار فشار رشد استحصال‌شده برای ترک‌های اولیه زاویه‌دار در مدل‌های دارای 6 ترک، هر چه ترک اولیه از راستای عمود بر تنش درجای کمینه دورتر باشد، به فشار بیش‌تری برای رشد نیاز دارد. بیش‌ترین فشار مورد نیاز، در مرحله جوانه‌زنی مشاهده شد و به ازای هر مرحله از رشد ترک، فشار کاهش یافته و پس از فاصله گرفتن از دهانه چاه، به مقدار مشخصی میل کرد. در رشد ترک‌های زاویه‌دار، بلافاصله در اولین مراحل، مسیر ترک به سمت راستای بحرانی متمایل شده و با شیب تندی رشد کرد. در ادامه پس از رشد ترک تقریباً به اندازه شعاع دهانه چاه، ازشیب مسیر ترک کاسته و تقریبا به‌صورت افقی ادامه یافت. اثر فشار منفذی در مرحله جوانه‌زنی با کاهش فشار مورد نیاز به اندازه مقدار فشار منفذی و در مرحله رشد با کاهش کمتری مشاهده گردید. به عبارت دیگر مشخص‌شد، تنش مؤثر در حضور فشار منفذی معیاری برای استفاده در تحلیل ترک هیدرولیکی به شمار می‌رود. برای بررسی صحت شبیه‌سازی و نتایج به‌دست‌آمده، نتایج با تئوری و تحقیقات موجود مقایسه شد که انطباق بالا و خطای کم نسبت به تئوری‌های موجود، از اعتبار و دقت بالای شبیه‌سازی انجام‌شده حکایت دارد. کلمات کلیدی: شکست هیدرولیکی، روش اجزاء محدود توسعه یافته، معیار آسیب تنش اصلی بیشینه، المان فشار منفذی، جوانه‌زنی ترک، رشد ترک، مکانیک سنگ.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی