مدلسازي فيزيكي و مطالعه آزمايشگاهي تأثير رژيم تنش ها بر شكست هيدروليكي

A laboratory study of the effects of stress regimes on hydraulic fracturing

شكست هيدروليكي، يكي از مهم ترين روش هاي تحريك مخازن نفت و گاز مي باشد كه براي افزايش جريان سيال از مخازن با تراوايي پايين به سمت چاه استفاده مي شود. عوامل مختلفي، همچون رژيم تنش ها، درزه ها و شكستگي هاي طبيعي سازند، رئولوژي سيال، خواص مكانيكي سازند، شدت جريان سيال تزريقي و مشبك كاري بر روي فشار و هندسه شكست هيدروليكي تأثيرگذار هستند. در اين تحقيق، براي بررسي آزمايشگاهي تأثير رژيم تنش ها بر شكست هيدروليكي، با در نظر گرفتن شرايط مخزن، دستگاه سه محوره اي طراحي و ساخته شد. اين دستگاه، توانايي اعمال تنش هاي ناهمسانگرد برجاي زمين در مقياس آزمايشگاهي را دارا مي باشد. سپس 32 نمونه مكعبي سيماني با ابعاد 10×10×10 سانتيمتر ساخته شد و تأثير رژيم تنش ها، بر روي هندسه و فشار شكست هيدروليكي، نمودار فشار-زمان و نحوه گسترش ريز ترك ها و شكستگي هاي متقاطع در دو حالت چاه قائم و افقي بررسي شد. نتايج مطالعات آزمايشگاهي نشان داد، با افزايش تنش افقي حداكثر در چاه قائم، فشار شكست، يك روند افزايشي- كاهشي و در چاه افقي، فشار شكست، يك روند تقريباً كاهشي را نشان مي دهد. در چاه قائم، تأثير تنش افقي حداكثر بر روي فشار شكست، بيشتر از تنش قائم است، در حالي كه در چاه افقي، تأثير تنش قائم، بيشتر از تنش افقي است. همچنين، با كاهش تنش تفاضلي افقي، در هر دو چاه قائم و افقي، ريز ترك ها و ترك هاي شاخه اي كوتاه بيشتر مي شود. بررسي هاي آزمايشگاهي اين تحقيق با استفاده از مواد شبه سنگي، رفتار مواد سنگي مطالعات قبلي را تأييد مي كند.

Hydraulic fracturing is one of the most important stimulation methods for oil and gas reservoirs to increase fluid flow from low permeability reservoirs to wellbores. Various factors, such as in-situ stresses, joints and natural fractures of the formation, fluid rheology, mechanical properties of the formation, injection fluid flow rate and perforation operation, effect on the pressure and hydraulic fracture geometry. In this research, for the experimental investigation of the hydraulic fracturing, considering the reservoir condition, a three-axial machine with the ability to apply the main stresses was designed and built. Then, 32 concrete cubic samples with 10 × 10 × 10 cm dimensions were constructed and cured in the laboratory and the effect of the in-situ stress field and stress regime on the geometry and breakdown pressure, the pressure-time diagram, the pattern of crack propagation and finally the cross fractures in both vertical and horizontal wellbores were investigated. The results showed that increasing the maximum horizontal stress in the vertical wellbore leads to increased breakdown pressure and increasing deviatoric stress in the horizontal wellbore reduces the breakdown pressure