مطالعه آزمایشگاهی اثر تنش حرارتی بر فشار شکست هیدرولیکی ماسه سنگ لوشان

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین

2 دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین

چکیده

در صنعت نفت برای افزایش شاخص تولید و بازیافت از چاه‌هایی که به علت برداشت طولانی مدت، بازده آن کاهش یافته است یا سنگ‌های اطراف چاه میزان نفوذپذیری کمی دارند از شکست هیدرولیکی استفاده می‌شود و چون عملیات شکست هیدرولیکی پرهزینه است، به دست آوردن فشار لازم برای شکست هیدرولیکی و تعیین پمپ مناسب برای این عملیات، برای مجریان پروژه اهمیت به سزایی دارد. در این تحقیق از نمونه‌های ماسه‌سنگ منطقه لوشان برای مطالعه استفاده شد و تاثیر تنش حرارتی روی فشار شکست هیدرولیکی ماسه سنگ مورد بررسی قرار گرفت. برای مدلسازی آزمایشگاهی شکست هیدرولیکی بر روی سلول سه محوری هوک تغییراتی داده شده استتا برای مدلسازی شکست هیدرولیکی مناسب‌سازی شود. نمونه‌های مورد مطالعه به شکل استوانه‌ای توخالی جدار ضخیم، دارای قطر خارجی 7/54، قطر داخلی 12 و ارتفاع 108 میلی‌مترند. برای بررسی اثر تنش حرارتی، آزمایش‌ها بر روی نمونه‌هایی که ابتدا تا دمای 100 درجه سانتی‌گراد در کوره گرم شده و سپس در آب 5، 10 و 15 درجه سانتی‌گراد سرد شده‌اند، انجام شده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که با کاهش دمای سرد کردن نمونه‌ها، فشار شکست هیدرولیکی کاهش می‌یابد.در عملیات شکست هیدرولیکی این کاهش فشار شکست باعث می‌شود که پمپی با ظرفیت تولید فشار کمتری خریداری شود و در نتیجه هزینه‌های عملیات کاهش یابد. تغییرات فشار شکست هیدرولیکی در اثر تنش حرارتی با تغییرات سرعت امواج طولی، وزن مخصوص خشک، مقاومت تراکم تک‌ محوری و نفوذپذیری تطابق دارد. از تصاویر سی‌تی‌اسکن نیز برای بررسی تغییرات میکرو ترک‌ها استفاده شده است، مقدار سی‌تی از 1654 هانسفیلد به 1614 هانسفیلد کاهش پیدا کرد. مقدار سی‌تی محاسبه شده از این تصاویر نیز تغییرات فشار شکست هیدرولیکی را تایید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Thermal Stress Effect on Hydraulic Fracturing Pressure of Lushan Sandstone

نویسندگان [English]

  • M. Hosseini 1
  • P. Eftekhari 2
  • P. Shahrizad 2
1 Associate Professor, Dept. of Mining Engineering, Imam Khomeini International university, Qazvin, Iran
2 B.Sc Student, Dept. of Mining Engineering, Imam Khomeini International university, Qazvin, Iran
چکیده [English]

Hydraulic fracturing is used in the oil industry in order to increase the index of production and processing in wells whose efficiencies have been dropped due to long-term harvest or the rocks around the well are low permeable. Since the hydraulic fracturing operation is costly, it is of special importance to determine the pressure required for hydraulic fracturing and the suitable pump for this operation to the project managers. In this research, sandstone specimens of Lushan area were used and investigated the effect of thermal stress on hydraulic fracturing pressure of sandstone. The Hoek triaxial cell was adapted for a laboratory modelling of hydraulic fracturing. The specimens under study are in the shape of thick-walled hollow cylinders with an external diameter of 54.7 mm, an internal diameter of 12 mm, and a height of 108 mm. To study the effect of thermal stress, the tests were conducted on the specimens that heated up to 100 °C in the furnace at heating process and then cooled in water 5, 10 and 15 °C. Results indicated that hydraulic fracturing pressure reduced with decreasing Cooling temperature of samples. In hydraulic fracturing operations, this decreasing fracture pressure causes the pump to be purchased at a lower pressure production capacity, resulting in lower operating costs. Hydraulic fracturing pressure changes in the effect of thermal stress were consistent with the variations of velocity of longitudinal waves, dry unit weight, uniaxial compressive strength and permeability. CT scan images were used to examine micro cracks changes in the effect of thermal stress and the CT value calculated by the images confirms hydraulic fracturing pressure variations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sandstone
  • thermal stress
  • Hydraulic fracturing

 [1]     آیت ‌اللهی، م. ر.، پور کاویان، م. ح.، محمد علیها، م. ر.؛ 1390؛ "تعیین حداقل فشار لازم برای آغاز رشد ترک، در عملیات شکست هیدرولیکی". نشریه علمی-پژوهشی مهندسی معدن، دوره ششم، شماره 12، ص 07-61.

[2]     Wilkinson, J. R., Teletzke, G. F., and King, K. C. (2006). “Opportunities and Challenges for Enhanced Recover in Middle East”. SPE Monograph, 22: 15-20.

[3]     Bareer, R. D., Fisher, M. K., and Woodroof, R. A. (2002). “Apractical guide to hydraulic cfracturing diagnostic technologies”. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Texas, 10-15.

[4]     حسینی، م.، اکرمی، ع.، جعفری، ا.؛ 1397؛"مدلسازی آزمایشگاهی و عددی شکست هیدرولیکی در ماسه سنگ های لوشان". نشریه زمین ‌شناسی مهندسی، جلد دوازدهم، شماره 3، ص 448-429. 

[5]     معظمی گودرزی، ح.، آهنگری، ک.، شیخ ذکریایی، س. ج.؛ 1393؛"تاثیر نسبت پواسون بر فشار شکست در عملیات شکست هیدرولیکی". دومین همایش ملی نفت و گاز ایران.

[6]     شفایی ‌زاده، ا.، فروزان، م. ر.، فرامرزی، ل.؛ 1393؛"شبیه سازی جوانه و رشد ترک در عملیات شکست هیدرولیکی چاه نفت با استفاده از معیار آسیب تنش اصلی بیشینه". مجله مهندسی مکانیک مدرس، دوره چهاردهم، شماره 5، ص 174-164.

[7]     سید سجادی، ش.؛ 1391؛"تحلیل مطالعات ژئومکانیکی مخازن کشورهای حوزه خلیج فارس جهت تحلیل و اعمال روش و یافته ها در میادین هیدروکربن و روی ایران". پایان ‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده فنی مهندسی، گروه معدن، دانشگاه بین ‌المللی امام خمینی، ص 99.

[8]     حسن ‌پور، ر. ا.، چوپانی، ن. ع.؛ 1386؛"اندازه گیری چقرمگی شکست سنگ و بررسی خصوصیات شکست آن تحت شرایط بارگذاری مرکب با استفاده از روش های عددی و آزمایشگاهی". سومین کنفرانس مکانیک سنگ ایران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران، ص 02-51.

[9]     بداغ ‌آبادی، س.، فولاد ‌چی، س.، موسوی، س. ج.؛ 1387؛ "تعیین پارامترهای مقاومتی سازندهای ماسه سنگی با استفاده از تخلخل". دومین کنفرانس مهندسی معدن ایران، دانشگاه تهران.

[10]  برهانی کودهی، ه.؛ 1390؛ "تعیین خواص ژئومکانیکی مخزن با استفاده از داده های پتروفیزیکی و بررسی بهبود تولید با استفاده از بهینه سازی شکست هیدرولیکی". ‌پایان ‌نامه کارشناسی ارشد‌، دانشکده فنی مهندسی‌، گروه معدن‌، دانشگاه بین‌‌المللی امام خمینی، ص 114‌.

[11] Nasehi, M. J., and 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.

[12]  قربانی، ا.؛ 1394؛ "پارامترهای موثر بر نتیجه عملیات شکست هیدرولیکی". ماهنامه علمی ترویجی اکتشاف و تولید، شماره 123، ص 80-72.

[13]  Wang, S. Y., Sun, L., Au, A. S. K., Yang, T. H. and Tang, C. A. (2009). “2D-numerical analysis of hydraulic fracturing in heterogeneous geo-materials”. Construction and Building Materials, 23: 2196–2206.

[14]  De pater, C. J., and Dong, Y. (2007). “Experimental study of hydraulic fracturing in sand as a function of stress and fluid rheology”. SPE 105620, Presented at the 2007 SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference held in College Station, Texas, USA.

[15] Brown, J. E., and Econmides, M. J. (1992). “practical considerations in Fracture Treatmeant Design”. Elsevier, Amsterdm, Developments in Petroleum Science, 34: 1-88.

[16]  علی ‌پور کله ‌بستی، م.، بهلولی، ب.؛ 1391؛ "بررسی آزمایشگاهی تاثیر تنش های حرارتی بر شکست سنگ مخزن یکی از میادین نفتی دریایی ایران". مجله فیزیک زمین و فضا، دوره 38، شماره 4، ص 48-39.

[17]  Charlez, P. (1996). “Thermally induced fracturing: analysis of a field case in North Sea”. SPE no. 36916.

[18]  Fatehi, M., Pashapour, A., and Gholamnejad, J. (2012). “Relationship between fracture dip angle, aperture and fluid flow in the fractured rock masses”. Journal of Mining and Environment, 2(2): 136-145.

[19]  بهنیا، م.، گشتاسبی، ک.، فاتحی مرجی، م.، گلشنی  ع. ا.؛ 1391؛ "تاثیر پارامترهای الاستیک لایه ها بر نحوه گسترش شکست هیدرولیکی با استفاده از روش ناپیوستگی- جابه جایی". نشریه روش ‌های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن، دوره دوم، شماره 3، ص 13-1.

[20]  Abdollahipour, A., Fatehi Marji, M., and Yarahmadi-Bafghi, A. R. (2013). “A fracture mechanics concept of in-situ stress measurement by hydraulic fracturing test”. In The 6th international symposium on in-situ rock stress. ISRM, Sendai, Japan Google Scholar.

[21]  Abdollahipour, A., Fatehi Marji, M., Yarahmadi Bafghi, A. R., and Gholamnejad, J. (2016). “Numerical investigation of effect of crack geometrical parameters on hydraulic fracturing process of hydrocarbon reservoirs”. Journal of Mining and Environment, 7(2): 205-214.

[22]  Abdollahipour, A., Marji, M. F., Bafghi, A. Y., and Gholamnejad, J. (2015). “Simulating the propagation of hydraulic fractures from a circular wellbore using the Displacement Discontinuity Method”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 80: 281-291.

[23]  Moradi, A., Tokhmechi, B., Rasolui, V., and Fatehi Marji, M. (2018). “Displacement discontinuity analysis of the effects of various hydraulic fracturing parameters on the crack opening displacement (COD)”. Journal of Petroleum Science and Technology, 8(3): 3-13.

[24]  Chen, M., and Zhang, G. -Q. (2004). “Laboratory Measurement and Interpretation of the Fracture Toughness of Formation RocksAt Great Depth”. Journal of Petroleum Science and Engineering, 41: 221-231.

[25]  Hubbert M. K., and Willis, D. G. (1957). “Mechanics of hydraulic fracturing”. Journal of American Association of Petroleum Geologists,  12(18): 239-257.

[26]  Blanton, T. L. (1986). “Propagation of hydraulically and dynamically induced fractures in naturally fractured reservoirs”. SPE 15261, Presented at the SPE/DOE Unconventional Gas Technology Symposium, Louisville, May 18–21.

[27]  Daneshy, A. A. (1974). “Hydraulic fracture propagation in the presence of planes of weakness”. Paper SPE 4852 Presented at the SPE European Spring Meeting, Amsterdam, the Netherlands, May 29-30.

[28]  Ghassemi, A., and Tarasovs, S. (2015). “Analysis of Fracture Propagation under Thermal Stress in Geothermal Reservoirs”. Proceedings World Geothermal Congress 2015  Melbourne, Australia, 19-25 April.

[29]  Tarasovs, S., and Ghassemi, A. (2010). “A study of propagation of cooled cracks in a geothermal reservoir”. In Geothermal Resources Council Annual Meeting, Sacramento, 34: 428-431.

[30]  Craig, S. L., Udell, K. S., McLennan, J., and Moore, J. (2014). “An experimental study of thermal and hydraulic geothermal reservoir stimulation of brittle impermeable material”. In Thirty-Ninth workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, 50-55.

[31]  Chaalal, O., Islam, M. R., and Zekri, Y. A. (2017). “A Comprehensive Study of Thermal Stress on Limestone Rocks”. Journal of Petrochemistry and Research, 1(1): 19-25.

[32]  Hoek, E., and Franklin, J. A. (1967). “A simple triaxial cell for field or laboratory testing of rock”. Imperial College of Science and Technology, University of London, Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, 77: 22- 26.

[33]  Pettijohn, F. J., Potter, P. E., and Siever, R. (1987). “Sand and Sandstone”. New York Springer-Verlag, pp. 553.

[34]  Ulusay, R., and Hudson, J. A. (2007). “The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 1974-2006”. ISRM Turkish National Group, pp. 628.

[35]  Boulin, P. F., Bretonnier, P., Gland, N., and Lombard, J. M. (2012). “Contribution of the steady state method to water permeability measurement in very low permeability porous media”. Oil & Gas Science and Technology–Revue d’IFP Energies nouvelles, 67(3): 387-401.

[36]  Yao, W., Liu, H. W., Xu, Y., Xia, K., and Zhu, J. (2017). “Thermal degradation of dynamic compressive strength for two mortars”. Construction and Building Materials, 136: 139-152.

[37]  Huang, S., and Xia, K. (2015). “Effect of heat-treatment on the dynamic compressive strength of Longyou sandstone”. Engineering Geology, 191: 1-7.