24-شبیهسازی چندفیزیکی در ژئومکانیک زیرسطحی: از حفاری تا شکست هیدرولیکی با آباکوس- شبیه سازان امیرکبیر و Coupled Multiphysics Models for Subsurface Geomechanics
Coupled Multiphysics Models for Subsurface Geomechanics24-
چکیده
در سالهای اخیر، شکست هیدرولیکی به عنوان یک فناوری چندوجهی ظهور کرده است که چشمانداز انرژی جهانی را از جهات مختلف متحول کرده است.
شکست هیدرولیکی که عمدتاً در مخازن غیرمتعارف استفاده میشود، اپراتورها را قادر میسازد تا هیدروکربنها را به طور ایمن و اقتصادی از سازندهای شیل بسیار متراکم – که زمانی بسیار گران تلقی میشدند – استخراج کنند. شکست هیدرولیکی همچنین به طور معمول به عنوان بخشی از عملیات دفع – مانند تزریق مجدد برشهای نفتی (یا CRI) و تزریق مجدد آب تولیدی (یا PWRI) – استفاده میشود.
در کاربردهای زمینگرمایی، شکست هیدرولیکی به عنوان تکنیکی برای افزایش تماس حرارتی بین سنگ مخزن و سیال در گردش – و در نتیجه افزایش ضریب بازیابی انرژی چنین سیستمهایی – استفاده میشود.
این گفتگوی فنی با هدف ارائه مروری بر قابلیتهای مدلسازی چندفیزیکی کاملاً جفتشده ما برای شبیهسازی شکست هیدرولیکی در مخازن متعارف و غیرمتعارف انجام میشود.
به طور خاص، ما موارد استفاده و گردشهای کاری را برای موارد زیر مورد بحث قرار خواهیم داد:
مدلسازی تکمیلهای نامتعارف در مقیاس صنعتی شامل چندین چاه که هر چاه از چندین مرحله و هر مرحله از چندین خوشه عملکردی تشکیل شده است.
پیشبینی تعداد شکستگیها، اندازه آنها، مسیرها و انتقال و قرارگیری پروپانتها در داخل آنها – ضمن در نظر گرفتن پارامترهای زمینشناسی (مانند سنگشناسی سنگ، تنشهای برجا و غیره) و عملیاتی (مانند نرخ پمپاژ).
بررسی تأثیر تخلیه بر انتشار شکستگی و تعامل والد-فرزندی متعاقب آن.
In recent years, hydraulic fracturing has emerged as a multi-faceted technology that has transformed the global energy landscape in numerous ways.
Primarily used in unconventional reservoirs, hydraulic fracturing enables operators to extract hydrocarbons safely and economically from ultra-tight shale formations – that were once considered prohibitively expensive. Hydraulic fracturing is also routinely used as a part of disposal operations – such as Cuttings Re-Injection (or CRI) and Produced Water Re-Injection (or PWRI ).
In geothermal applications, hydraulic fracturing is used as a technique to increase the thermal contact between reservoir rock and circulating fluid – thus enhancing the energy recovery factor of such systems.
This Tech Talk aims to provide an overview of our fully coupled multi-physics modeling capabilities for the simulation of hydraulic fracturing in conventional and unconventional reservoirs.
Specifically, we will discuss use-cases and workflows for :
- Modeling of industrial-scale unconventional completions comprising multiple wells with each well consisting of multiple stages and each stage consisting of multiple perf clusters.
- Predicting the number of fractures, their sizes, trajectories, and transport and placement of proppants inside them – while accounting for geological (e.g. rock lithology, in-situ stresses, etc.) and operational (e.g. pumping rate) parameters.
- Investigating the effect of depletion on fracture propagation and ensuing parent-child interaction.
این مقاله به بررسی مدلهای کوپلشده چندفیزیکی برای ژئومکانیک زیرسطحی میپردازد و بر فرآیندهای مرتبط با تزریق زیرسطحی تمرکز دارد1.
تزریق زیرسطحی و کاربردهای آن
تزریق زیرسطحی شامل تزریق سیال به زیر سطح زمین با اعمال فشار است2. رایجترین نوع آن شکست هیدرولیکی است3. مراحل کلیدی تزریق زیرسطحی شامل حفاری چاه، تکمیل چاه (نصب روکش و سیمانکاری) و عملیات تزریق سیال (مانند سیال شکستگی یا دوغاب) است4. تزریق در چند مرحله انجام میشود: ابتدا سیال با ویسکوزیته پایین برای شروع شکستگی تزریق میشود، سپس دوغاب (ماسه مخلوط با ژل) برای پر کردن و باز نگه داشتن شکستگی تزریق میشود، و در نهایت یک سیال نوترونی با ویسکوزیته پایین برای بیرون راندن ژل تزریق میشود5.
کاربردهای تجاری تزریق زیرسطحی عبارتند از:
- شکست هیدرولیکی: برای تحریک مخازن با نفوذپذیری کم و افزایش راندمان با ایجاد مسیرهای رسانا6.
- تزریق خردههای حفاری: برای دفع خردههای حفاری7.
- دفع آب تولیدی: برای دفع آب تولیدی8.
- ترسیب کربن: برای دفع و ذخیره دیاکسید کربن9.
- سیستمهای زمینگرمایی پیشرفته: برای افزایش تماس مخزن بین مخزن و سیال در گردش به منظور به حداکثر رساندن بازیابی گرما10.
ملاحظات مهندسی در فرآیند تزریق زیرسطحی
شکست هیدرولیکی یک فرآیند چندرشتهای است که شامل تخصصهای مختلفی میشود11.
- مهندسان حفاری: بر فشار، دمای سیال در گردش، پایداری چاه و محدوده وزن ایمن گل حفاری تمرکز دارند12.
- مهندسان تکمیلکننده: مسئول نصب روکشها و سیمانکاری هستند و به یکپارچگی پوشش چاه و سیمانکاری و حفظ ایزولاسیون هیدرولیکی بین مراحل اهمیت میدهند13.
- مهندسان شبیهسازی: با تعداد، اندازه و مسیر شکستگیها، تأثیر سنگشناسی، زمینشناسی و فشار منفذی بر انتشار شکستگی، اثر تداخل والد-فرزند و همچنین انتقال و جایگذاری مواد دوغاب سروکار دارند14.
چالشها در مدلسازی فرآیندهای زیرسطحی و راهحل آباکوس (Abaqus)
مهندسان مختلف معمولاً از نرمافزارهای مدلسازی و شبیهسازی متفاوتی استفاده میکنند که بر پایه فناوریهای مختلفی هستند (مانند CFD، FA، روش المان مرزی) و این امر مشکلات جدی در یکپارچهسازی ابزارها ایجاد میکند15.
آباکوس یک ابزار محاسباتی یکپارچه است که به جای استفاده از چندین ابزار، تمام جنبههای فرآیند را با یک فناوری واحد به نام FEA (تحلیل المان محدود) مدلسازی میکند16. این فناوری با همکاری نزدیک با رهبران صنعت توسعه یافته است17.
قابلیتهای آباکوس در مهندسی حفاری
آباکوس یک المان چاهک مخصوص برای محاسبه فشار، دما و دبی جرمی در هر نقطه از طول چاهک توسعه داده است18. این المانها تعادل جرم، دما و فشار را به شدت برقرار میکنند19. با این قابلیت میتوان تغییرات دما و فشار سیال در امتداد چاه را در حین تماس با سازند مدلسازی کرد20. همچنین میتوان خواص سیال مانند چگالی و ویسکوزیته را به عنوان تابعی از دما مشخص کرد و تأثیر آن را بر فشار مشاهده نمود21. این قابلیت به مهندسان حفاری امکان میدهد تا پایداری چاه و پنجره وزن گل ایمن را تخمین بزنند22222222.
المانهای گمانه میتوانند به سازند متصل شوند و چندین قابلیت اتصال از جمله اعمال فشار مضاعف، کوپلینگ دما، کوپلینگ همزمان فشار و دما و کوپلینگ MC ضعیف (تبدیل فشار منفذی به بارگذاری فشاری) را فراهم میکنند23. خروجیهای این المانها شامل اطلاعاتی در مورد فشار، دما، جرم، دبی جریان، فشار کل و افت فشار اصطکاکی است و از انواع رفتارهای سیال زمینشناسی (نیوتنی و غیرنیوتنی مانند قانون توانی بینگهام پلاستیک و هرسل باکلی) پشتیبانی میکنند24.
آباکوس مدلهای ماده و شکست را برای تعیین دقیق حدود پایداری چاه ارائه میدهد25. حد پایین پنجره گل با پایداری سوراخ تخته در برابر شکستهای ناگهانی یا شکستگیها تعیین میشود و نیاز به مدل پلاستیسیته خاک دارد26. آباکوس طیف گستردهای از مدلهای پلاستیسیته خاک را ارائه میدهد، از جمله مدل مور-کولمب، دراکر-پراگر و مدل تعمیمیافته دارو27. حد بالای پنجره گل با شکست شکستگی تعیین میشود و آباکوس قابلیت مدلسازی شکستگی ناشی از سیال، جریان سیال درون شکستگی، فشار و دمای ضعیف و انتقال دوغاب را دارد28.
کاربرد در سیستمهای زمینگرمایی
در سیستمهای زمینگرمایی، آباکوس میتواند تبادل حرارتی و فشار بین سیال تزریق شده و مخزن اطراف را مدلسازی کند29. این قابلیت امکان مدلسازی افزایش دمای سیال تزریق شده در حلقه زمینگرمایی و بررسی فشار و افت فشار را فراهم میکند30303030. همچنین میتوان مطالعات حساسیت مختلفی مانند تأثیر نرخ تزریق بر افزایش گرما و مقایسه طرحهای مختلف چاه را انجام داد31.
قابلیتهای آباکوس در مهندسی تکمیل
مهندسان تکمیل نگران حفظ ایزولاسیون هیدرولیکی بین مراحل مختلف در طول شکست هیدرولیکی با استفاده از بستهبندیکنندههای تکمیلکننده هستند32. آباکوس توانایی ثبت هر دو نوع تماس مکانیکی و هیدرولیکی را در مدلسازی تغییر شکل الاستیک بستهبندیکنندهها دارد و ارزیابی دقیقی از کیفیت آببندی ارائه میدهد33.
آباکوس قابلیت مدلسازی پیشرفتهای برای شبیهسازی فرآیند رسوب سیمان و محاسبه تغییر در میدان تنش دارد34. قابلیت فعالسازی پیشرونده المان به مدلسازی رسوب تدریجی سیمان و نمایش تغییرات میدان تنش کمک میکند35. همچنین آباکوس میتواند نقصهای سیمانی و تأثیر آنها بر تنشهای نزدیک چاه را ثبت کند و قابلیت جدا شدن پیوند بین سطوح مشترک را برای مدلسازی رشد ترک سطحی بین سیمان و سازند یا لوله جداری به دلیل نفوذ سیال سازند دارد36.
قابلیتهای مدلسازی شکستگی در آباکوس
قابلیتهای مدلسازی شکستگی در آباکوس با همکاری نزدیک با شرکای صنعتی توسعه یافته و از طریق آزمایشهای مختلف اعتبارسنجی شده است37. آباکوس میتواند تمام حالتهای شکستگی (حالت اول، دوم، سوم و ترکیبی) را مدیریت کند38. شکست هیدرولیکی نمونهای از شکست حالت اول است39.
آباکوس دو تکنیک مدلسازی شکستگی دارد:
- روش ناحیه چسبنده (Cohesive Zone Method): برای سناریوهایی که مسیر شکستگی از قبل مشخص است (مانند شکستگیهای بین سطحی)40.
- روش المان محدود توسعهیافته (eXtended Finite Element Method – XFEM): که در آن مسیر شکست از راهحل فرآیند یا فیزیک زیربنایی استخراج میشود و نیازی به مشخص کردن دقیق مسیر شکست از قبل نیست41. XFEM مستقل از شبکه و هندسه ترک باقی میماند42.
دو نوع قابلیت تجزیه و تحلیل برای مدلسازی شکستگی وجود دارد:
- تحلیل ترمومکانیکی: جابجایی و درجات آزادی حرارتی را در نظر میگیرد اما درجات آزادی فشار ضعیف را در نظر نمیگیرد و برای مواردی استفاده میشود که تغییر در فشار ضعیف ناچیز است43.
- تحلیل مکانیکی ترموپورو (Thermoporo-mechanical analysis): تغییرات جابجایی، فشار منفذی و دما را با استفاده از الاستیسیته بیوت در نظر میگیرد و برای مدلسازی مواد متخلخل مانند سنگها استفاده میشود44.
مدل شکست هیدرولیکی در آباکوس یک مدل فیزیکی کامل است که شامل:
- مکانیک ترموپور برای مدلسازی کوپل شده دما، فشار و تنشهای مکانیکی45.
- مدلی برای شروع و تکامل آسیب با استفاده از قانون جدایی کششی-کششی46.
- مدلی برای جریان سیال درون شکستگی (مدل جریان شکاف)47.
- مدلی برای اتلاف سیال از طریق سطوح شکستگی (نشتی)48.
- مدلهایی برای تکیهگاه، انتقال و قرارگیری مواد دوغاب49.
اعتبارسنجی مدلها
آباکوس مدلهای خود را از طریق سطوح مختلف اعتبارسنجی با استفاده از آزمونهای تجربی و میدانی تأیید کرده است50. مثالها شامل بررسی اثر سایه تنش که در آن شکستگیهای بیرونی رشد میکنند و شکستگی داخلی سرکوب میشود51. همچنین بررسی تضاد تنش بین لایهها که منجر به هندسههای شکستگی متفاوت میشود (مانند شکل گلابی)52. اعتبارسنجی تجربی قابلیت XSVM (اثر فشار پورت) نیز نشان میدهد که شکستگی به سمت منطقه پرفشار جذب میشود53. همچنین پیشبینی برآمدگی نزدیک به محور عمودی که در آن شکستگی به دلیل ناهمترازی با جهت تنش اصلی میچرخد54.
کاربردهای فناوری آباکوس
- شبیهسازی چندمرحلهای شکست هیدرولیکی: امکان مدلسازی فرآیند فرکینگ چندمرحلهای را فراهم میکند55.
- بررسی توزیع جرم سیال و خوشههای مختلف ضریب توان: آباکوس میتواند توزیع جرم سیال را بین خوشههای مختلف پرف (Perf) نشان دهد56.
- شبیهسازی تولید: پس از انجام شکافت، میتوان سناریوی تولید را شبیهسازی کرد و تغییر فشار قطب در مجاورت شکستگی را در حین بیرون کشیدن سیال از مخزن مشاهده کرد57.
- تخلیه انرژی و تغییر جهتگیری استرس (تداخل چاه): آباکوس میتواند مکانیک تداخل چاه را که معمولاً در اثر تخلیه چاه مادر ایجاد میشود، بررسی کند و تأثیر آن را بر هندسه شکستگی چاه فرزند نشان دهد58.
- انتقال و تهنشینی مواد مذاب (دوغاب): آباکوس قابلیت مدلسازی انتقال و قرارگیری دوغاب در داخل شکستگی را دارد و میتواند الگوهای تهنشین شدن ماسه را پیشبینی کند59. این قابلیت به تشخیص پدیدههایی مانند “خروج نوک سوزن از سوراخ” کمک میکند، که در آن رشد شکستگی متوقف شده و فشار شروع به افزایش میکند60. همچنین میتواند در فرآیند شکست هیدرولیکی چندمرحلهای برای تعیین بخش برش خورده از شکستگیهای مختلف و غلظت مربوط به دوغاب در داخل هر شکستگی استفاده شود61. این دانش برای مهندسان مخزن در پیشبینی تولید مفید است62.
کلمات کلیدی فارسی:
ژئومکانیک زیرسطحی، مدلهای چندفیزیکی، تزریق زیرسطحی، شکست هیدرولیکی، شبیهسازی آباکوس، مهندسی حفاری، پایداری چاه، تکمیل چاه، انتقال دوغاب، ترسیب کربن، سیستمهای زمینگرمایی
کلمات کلیدی انگلیسی:
Subsurface Geomechanics, Coupled Multiphysics Models, Subsurface Injection, Hydraulic Fracturing, Abaqus Simulation, Drilling Engineering, Wellbore Stability, Completion Engineering, Proppant Transport, Carbon Sequestration, Geothermal Systems
