اثرات فشار و تنش بر شکست هیدرولیکی

مقدمه

شکست هیدرولیکی فرایندی است که طی آن یک سیال ویسکوز تحت فشار با نرخ جریان نسبتاً بالا به داخل یک گمانه تزریق می‌شود تا بدین طریق یک سیستم ترک در زمین ایجاد شده و انتشار یابد. فرایند شکست هیدرولیکی سازند­های زیرزمینی، طی چند دهه گذشته به طور گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف مهندسی مورد توجه قرار گرفته است. در صنایع نفت و گاز، از این تکنیک برای ایجاد ترک‌های خیلی بزرگ با قابلیت هدایت هیدرولیکی بالا جهت افزایش نرخ جریان نفت و گاز از مخازن هیدروکربن با نفوذپذیری پایین، به سمت چاه‌های حفاری شده استفاده می‌شود. در حوزه مهندسی محیط زیست، این تکنیک روشی موثر در افزایش کارایی روش‌های آلودگی زدایی در جای[۱] خاک‌های آلوده بوده است. استحصال انرژی حرارتی[۲] زمین به وسیله ایجاد شکاف هیدرولیکی در توده سنگ‌های گرم و خشک و استفاده از چرخه سیال، از دیگر کاربرد های این فرایند می‌باشد. در مکانیک سنگ، این روش تنها روش قابل اطمینان برای اندازه گیری میدان تنش‌های درجا می‌باشد که به دلیل سادگی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. از کاربردهای مهم دیگر این تکنولوژی می‌توان به مواردی نظیر: دفع زیر زمینی پساب‌ها و سیالات سمی، تحریک چاه‌های آب به منظور افزایش تولید آب به منظور افزایش تولید آب و در صنایع معدنی به عنوان یک سیستم کمکی حفاری سنگ‌های معدنی در مقیاس‌های بزرگ اشاره نمود.

علی رغم همه کاربرد های که شکست هیدرولیکی در آن‌ها به عنوان یک روش مفید مطرح می‌شود، وقوع آن در برخی موارد موجب می‌گردد تا این پدیده به صورت یک پدیده مخرب و غیر مطلوب مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال در حوزه سد سازی، شکست هیدرولیکی می‌تواند یکی از عوامل ایجاد ترک در هسته سدهای خاکی باشد که از عواقب آن افزایش نشت و در برخی موارد خرابی سد خاکی بوده است[۱]. در زمینه دفع زیر زمینی زائدات هسته‌ای، تجزیه مواد رادیواکتیو دفن شده در خاک‌ها و سنگ‌های اشباع شده باعث تولید گرما و در نتیجه انبساط توام خاک و آب می‌شود. اما از آنجایی که ضریب انبساط آب حفره‌ای از دانه‌های جام خاک بیشتر است، فشار آب حفره‌ای افزایش بافته و می‌تواند منجر به ایجاد ترک در خاک گردد[۲]. در طراحی عملیات تزریق دوغاب نیز ترک‌های هیدرولیکی که ممکن است طی عملیات تزریق دوغاب نفوذی یا تحکیمی ایجاد شوند، می‌توانند توانایی دوغاب برای آب بند نمودن یا افزایش مقاومت را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهند[۳].

بنابراین ضرورت شناخت مکانیزم شروع و نحوه انتشار ترک‌های هیدرولیکی در شاخه‌های مختلف مهندسی موجب شده است که تحلیل این پدیده و تلاش برای دست‌یابی به یک مدل مناسب برای شبیه سازی آن، به شدت مورد توجه قرار گیرد. با این وجود، اهمیت پروسه شکست هیدرولیکی در صنعت نفت و گاز به منظور دست‌یابی به ذخایر هیدروکربن یا افزایش میزان تولید آن‌ها، اصلی‌ترین انگیزه برای ایجاد چنین مدل‌هایی بوده است.

شکست هیدرولیکی در صنایع نفت و گاز

اولین کاربرد ثبت شده از عملیات شکست هیدرولیکی برای افزایش میزان استحصال نفت و گاز از مخازن هیدروکربن  زیرزمینی، به میدان نفتی هاگوتون[۳] در کانزاس غربی مربوط می‌شود که در سال ۱۹۴۷ به منظور مقایسه با تکنولوژی اسیدی کردن چاه‌ها، بر روی یک چاه گاز در این ناحیه انجام شد. پس از آن و تا اواسط دهه ۱۹۶۰، شکست هیدرولیکی به روش غالب برای انگیزش[۴] چاه‌های نفت در این ناحیه و دیگر نواحی تبدیل گردید [۴,۵].

شکل ۱ یک مثال مفهومی از پروسه معمول شکست هیدرولیکی را نمایش می‌دهد. برای انگیزش مخازن نفتی به روش شکست هیدرولیکی، عملیات باید طوری طراحی شود که ترک در ساختار سنگی که حاوی مواد هیدروکربنی است[۵] (مخزن) قرار گیرد.

این امر معمولاً به وسیله تکنیکی که سوراخ کاری[۶] لوله جدار نامیده می‌شود، تحقق می‌یابد. سپس با قرار دادن پکرهایی در بالا و پایین بازه سوراخ شده، یک سیال ویسکوز تحت نرخ و فشار های بالا به داخل گمانه تزریق می‌شود تا یک ترک اولیه در ناحیه سوراخ شده چاه ایجاد شود. در این مرحله معمولاً در ابتدا یک سیال تمیز[۷] به سمت پایین پمپ می‌شود تا با شروع و گسترش ترک، عرض شکست کافی برای جریان ذرات باز نگه دارنده را که بعداً تزریق خواهد شد، فراهم کند. در ادامه فرایند تزریق، یک فاز دانه‌ای تحت عنوان ذرات باز نگه دارنده[۸] ترک به تدریج با سیال تزریقی مخلوط می‌شود. دوغاب حاصل از این اختلاط، در حالی که موجب گسترش ترک می‌شود به طور هم‌زمان ذرات باز نگه دارنده را همراه خود داخل ترک حمل می‌کند. این عمل تضمین می‌نماید زمانی که عملیات پمپاژ متوقف می‌گردد، ترک ایجاد شده، توسط این ذرات باز نگه داشته می‌شود. پس از آن که ترک با اندازه طراحی شده ایجاد شد، عملیات پمپاژ متوقف می‌شود. معمولاً برای یک بازه زمانی کوتاه پس از شروع این دوره که تحت عنوان دوره بسته شدن[۹] نامیده می‌شود، انتشار ترک ادامه می‌یابد. اما با تراوش تدریجی سیال شکست داخل ترک به محیط متخلخل اطراف، به تدریج فشار هیدرولیکی داخل ترک کاهش یافته تا اینکه در نهایت، سطوح ترک تحت اثر تنش‌های فشاری میدان دور، بر روی مجموعه ذرات باز نگه دارنده بسته می‌شوند. پس از پایان فرایند ایجاد شکاف هیدرولیکی ، مرحله آخر پاک‌سازی سیال باقی مانده از ترک است، به این صورت که پس از پمپاژ دوغاب، سیال تزریق شده به لحاظ شیمیایی به یک سیال با ویسکوزیته پایین‌تر تجزیه شده[۱۰] و به صورت جریان برگشتی به سمت چاه و به خارج از ترک جریان می‌یابد. بدین ترتیب در پایان عملیات، یک کانال با نفوذپذیری بالا در مخزن هیدروکربن ایجاد می‌گردد و این امکان را فراهم می‌کند تا نفت و گاز از لایه حاوی این منابع به سمت چاه حفاری شده جریان یابند.

فهرست مطالب

مقدمه

فصل اول

۱-۱- پیش زمینه

فصل دوم

۲-۱- لایه شکافی چیست؟

۲-۲- اهداف لایه شکافی

۲-۳- دلایل لایه شکافی

۲-۴- چرا و چگونه لایه شکافی به تولید کمک می‌کند

۲-۵- تاریخچه لایه شکافی

۲-۶- دلایل اعمال لایه شکافی هیدرولیکی مخازن گاز و نفت

۲-۷- ساختار چاه

۲-۸- فرایند لایه شکافی هیدرولیکی

۲-۹- علم لایه شکافی هیدرولیک

۲-۱۰- میزان پیشروی شکاف

۲-۱۱- تجهیزات مورد نیاز برای شکاف هیدرولیکی

۲-۱۲- انواع سیالات شکاف

۲-۱۳- مواد پر کننده شکاف

۲-۱۴- پایش عملیات شکاف

۲-۱۵- کنترل برگشت جریان سیال در عملیات ایجاد شکاف

فصل سوم

۳-۱- شیل‌های گازی و عملیات استخراج به کمک شکاف هیدرولیکی

فصل چهارم

۴-۱- مکانیزم شکست هیدرولیکی

۴-۲- شرایط شروع و انتشار ترک از نظر معیارهای ژئوماتیکی

۴-۳- مکانیک شکست هیدرولیک

۴-۴- طراحی شکست

۴-۵- چگونگی ایجاد شکاف از نقطه نظر مکانیک سنگ

۴-۶- اصول شکاف هیدرولیکی

۴-۷- بهینه سازی عملیات شکاف

۴-۸- سازند های سازگار با شکاف هیدرولیکی

فصل پنجم

۵-۱- پیامدهای زیست محیطی ناشی از لایه شکافی هیدرولیکی

۵-۲- مزایای زیست محیطی شکست هیدرولیکی

۵-۳- اثر شکست هیدرولیکی بر آب آشامیدنی

۵-۴- قوانین و مقررات شکاف هیدرولیکی

فصل ششم

۶-۱- تحقیقات آینده

فصل هفتم

فصل هشتم

فصل نهم

فصل دهم

فصل یازدهم

فصل دوازدهم

منابع