گسترش شکست هیدرولیکی در سازندهای لایه ای

شکستگی هیدرولیکی یکی از تکنیک های تحریک مخازن است که برای افزایش بازدهی مخازن نفتی مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مسئله در روش شکستگی هیدرولیکی، پیش بینی صحیح هندسه شکستگی به منظور طراحی ایمن و بهینه این فرآیند می باشد. نحوه گسترش شکستگی هیدرولیکی در محیط های دارای لایه بندی، به شدت از وجود ناپیوستگی ها (لایه بندی، درزه ، گسل و ...) و خصوصیات آنها، پارامترهای مکانیکی توده سنگ و تنش های برجا تأثیر می پذیرد. بنابراین برای دستیابی به یک طراحی بهینه و همچنین ارزیابی صحیح از هندسه شکستگی هیدرولیکی، لحاظ کردن اثرات لایه بندی در مدلسازی های موجود ضروری است. در این پژوهش با بررسی فرآیند اندرکنش شکستگی هیدرولیکی با ناپیوستگی ها و فصل مشترک لایه ها، نحوه گسترش، انحراف و توقف آن به صورت تجربی و عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور، با انجام یک سری آزمایش بر روی نمونه های مکعبی که خود شامل ترکیبی از بلوک-های کوچک تر و یا به صورت چند لایه بودند، نحوه گسترش شکست هیدرولیکی در سلول سه محوره واقعی، با لحاظ کردن هر سه تنش اصلی مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به امکان تغییر چیدمان بلوک های کوچکتر نسبت به هم، شرایط آزمایش برای هر نمونه قابل کنترل بود؛ لازم به ذکر است که این نحوه طراحی برای اولین بار در مجموعه آزمایش های حوزه شکستگی هیدرولیکی مورد استفاده قرار گرفته است. در این آزمایش ها، با تغییر پارامترهای مقاومتی فصل مشترک بین بلوک ها، خصوصیات مکانیکی لایه ها، تنش های اصلی، گران روی سیال و نرخ تزریق، فرآیند گسترش شکستگی هیدرولیکی تحت تأثیر این پارامترها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که با افزایش پارامترهای مکانیکی ناپیوستگی و در نتیجه عدم لغزش و بازشدگی آن، شکستگی می تواند از آن عبور کند، در حالی که کاهش پارامترهای مکانیکی منجر به لغزش و باز شدگی ناپیوستگی شده و در نتیجه انحراف شکستگی هیدرولیکی و یا توقف آن پدیده غالب می باشد. نتایج نشان می دهد که وجود میان لایه نفوذ پذیر یا پرشدگی تأثیرگذار، باعث کند شدن نوک ترک و افزایش تراوش و توقف شکستگی می شود، همچنین تغییر خصوصیات مکانیکی لایه های مجاور بر میزان نفوذ شکستگی هیدورلیکی در این لایه ها اثر گذاشته و می تواند رشد آن را به طور کامل متوقف نماید. در نمونه های بلوکی چند لایهنتایج نشان داد که با تغییر مکان لایه های سخت و نرم نسبت به یکدیگر، شکستگی هیدرولیکی از لایه سخت به لایه نرم نفوذ می کند در صورتی که در حالت معکوس رشد شکستگی متوقف شده و یا به صورت موضعی صورت می پذیرد. براساس هدف دوم پژوهش، به منظور بررسی بیشتر گسترش شکستگی هیدرولیکی و اندرکنش آن با ناپیوستگی های موجود، برنامه عددی (2dfpm) با مبنای المان مرزی (روش ناپیوستگی- جابجایی (ddm)) توسعه داده شد. مهمترین دلایل انتخاب ddm، عدم نیاز این روش به مش-بندی مجدد محیط در حین گسترش شکستگی هیدرولیکی و توانایی آن در مدلسازی ناپیوستگی ها و فرآیند لغزش و بازشدگی آنها تحت تأثیر تنش های محیطی بود. در راستای ارتقای این برنامه عددی و افزایش دقت محاسبات، از المان نوک ترک برای اندازه گیری فاکتور شدت تنش و المان-های سه گرهی کوادراتیک استفاده گردید. با استفاده از معیارهای مختلف گسترش شکستگی و الگوریتم توسعه ترک، مسیر گسترش شکستگی هیدرولیکی پیش بینی گردید و با استفاده از المان درزه و معیار موهر-کلمب، حالات مختلف بازشدگی، لغزش و چسبندگی کامل سطوح ناپیوستگی ها مدلسازی شد. با لحاظ کردن فرمولاسیون محیط های نیم صفحه و تمام صفحه قابلیت مدلسازی در محیط های ناهمگن نیز به این برنامه عددی افزوده شد. در ادامه با مدلسازی همزمان جریان سیال نیوتنی و تغییر شکل الاستیک محیط، امکان بررسی بهتر فرآیند گسترش شکستگی هیدرولیکی در مجاورت ناپیوستگی ها فراهم گردید. با مقایسه نتایج حاصل از برنامه عددی با مقادیر ناشی از حل تحلیلی و همچنین نتایج آزمایشگاهی، دقت و قابلیت این برنامه عددی مورد تأیید قرار گرفت. در ادامه با مدل سازی حالات مختلف وضعیت شکستگی هیدرولیکی نسبت به ناپیوستگی، عوامل موثر بر انحراف، توقف و عبور شکستگی هیدرولیکی با توجه به تنش های ایجاد شده بررسی شد و نقاط تنش اصلی حداکثر که به عنوان پتانسیل های شروع مجدد شکستگی هیدولیکی در آن سوی ناپیوستگی مطرح می باشند، مشخص گردیدند. در مجموع نتایج حاصل از روش عددی علت تفاوت موجود در گسترش شکست هیدرولیکی در محیط های لایه ای و در مجاورت ناپیوستگی ها را نسبت به گسترش آن در محیط های همگن تشریح می کند و قابلیت این برنامه عددی در مدلسازی فرآیند گسترش شکستگی هیدورلیکی را در چنین محیط هایی نشان می دهد.