تحلیل المان مرزی غیر مستقیم اندرکنش شکست هیدرولیکی و شکست طبیعی در مخازن هیدروکربنی درزه دار

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

2 دانشکده مهندسی نفت، دانشگاه داکوتای شمالی

3 دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد

چکیده

شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از مهمترین روش‌های تحریک و ازدیاد برداشت مخازن نفت و گاز شناخته می‌شود. تعیین راستای گسترش شکست و هندسه شبکه شکست ایجاد شده توسط فرآیند شکست هیدرولیکی در افزایش نفوذپذیری مخزن نقش بسزایی دارد. محیط مخزن حاوی شکستگی‌های طبیعی است و اندرکنش شکست هیدرولیکی با این شکستگی‌ها در تعیین هندسه شبکه شکستگی‌های ایجاد شده اهمیت زیادی دارد. توقف، عبور و بازشدگی، شرایط ممکن در برخورد شکست هیدرولیکی با شکستگی‌های طبیعی است. در این پژوهش روش عددی ناپیوستگی جابه‌جایی با المان‌های درجه بالا برای مدلسازی عددی استفاده شد. این روش توسط چند راه حل تحلیلی از مسائل متداول در مکانیک شکست سنگ اعتبارسنجی شد. دو معیار تحلیلی اندرکنش شکست هیدرولیکی و شکست طبیعی معرفی شد. سپس یک الگوریتم برای تعیین رفتار در اندرکنش شکست هیدرولیکی و طبیعی ارائه شد. مقایسه نتایج حاصل از حل تحلیلی و روش عددی (با بهره‌گیری از الگوریتم پیشنهادی) با نتایج آزمایشگاهی موجود، درستی و دقت الگوریتم را به اثبات رساند. این الگوریتم در غالب روش عددی جهت مدلسازی شرایط مختلف اندرکنش شکستگی‌های هیدرولیکی و طبیعی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج تحلیل اندرکنش شکست هیدرولیکی و شکست طبیعی در حالات مختلف نشان داد که در زوایای برخورد بزرگتر، احتمال عبور شکست هیدرولیکی از شکست طبیعی بیشتر است. همچنین با هر بار عبور شکست هیدرولیکی از شکستگی‌های طبیعی، از انرژی آن کاسته می‌شود و احتمال عبور آن از شکستگی‌های طبیعی بعدی کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Indirect boundary element analyses of hydraulic fracture interaction with the pre-existing natural fractures in a jointed hydrocarbon reservoir

نویسندگان [English]

  • Abolfazl Moradi 1
  • Behzad Tokhmechi 1
  • Vamegh Rasouli 2
  • Mohammad Fatehi Marji 3
1 Dept. of Mining, Petroleum and Geo-physics, Shahrood University of Technology
2 Department of Petroleum Engineering, University of North Dakota
3 Dept. of Mining and Metallurgy, Yazd University
چکیده [English]

Hydraulic fracturing is one of the most well-known methods in stimulation and enhanced recovery in oil and gas reservoirs. Determination of propagation path of hydraulic fractures (HFs) and created fracture network have a dominant role in increasing permeability of the reservoir. Reservoirs contain many natural fractures (NFs). Understanding the interaction behavior of the HF and NFs controls the fracture network created by the HF propagation. In this paper, a higher order displacement discontinuity method is uaed, the numerical model is verified by several analytical well-known problems in fracture mechanics. Three main behaviors may be named for the interaction of HF and NFs i.e. arrest, crossing, and opening. Two well-known interaction criteria are introduced. Then an algorithm is introduced to determine interaction of HF and NF. The algorithm and its implementation in a numerical model were tested against experimental results. Using higher order displacement discontinuity method the interaction of HF and NFs is investigated in various conditions. Results showed that the possibility of crossing for higher angle of intersection is higher. Also the HF energy reduces after each NF crossing. It means that HF has lower chance for crossing NFs after previous crosses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic fracture
  • Natural fracture
  • Interaction of hydraulic fracture and natural fractures
  • Higher order displacement discontinuity method
[1] Warpinski, N., Teufel, L., 1987. Influence of geologic discontinuities on hydraulic fracture propagation (includes associated papers 17011 and 17074). J. Pet. Technol. 39 (02), 209-220.
[2] Blanton, T.L., 1982. An Experimental Study of Interaction between Hydraulically Induced and Pre-existing Fractures (Paper presented at SPE Unconventional Gas Recovery Symposium, Society of Petroleum Engineers).
[3] Blanton, T., 1986. Propagation of Hydraulically and Dynamically Induced Fractures in Naturally Fractured Reservoirs (Paper presented at SPE Unconventional Gas Technology Symposium, Society of Petroleum Engineers).
[4] Beugelsdijk, L., De Pater, C., Sato, K., 2000. Experimental Hydraulic Fracture Propagation in a Multi-fractured Medium (Paper presented at SPE Asia Pacific Conference on Integrated Modelling for Asset Management, Society of Petroleum Engineers).
[5] Zhou, J., Chen, M., Jin, Y., Zhang, G.-q, 2008, Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 45 (7), 1143-1152.
[6] Dahi Taleghani A, Lorenzo JM. An Alternative interpretation of microseismic events during hydraulic fracturing. In: SPE 140468-PP, presentation at the SPE hydraulic fracturing technology conference and exhibition held in The Woodlands, Texas; 2011.
[7] Waters G, Heinze J, Jackson R, Ketter A, Daniels J, Bentley D. Use of horizontal well image tools to optimize barnett shale reservoir exploitation. In: SPE 103202, presented at the SPE annual technical conference; 2006.
[8] Renshaw, C.E., and Pollard D.D. 1995, An experimentally verified criterion for propagation across unbonded  frictional  interfaces  in  brittle,  linear elastic materials:  International Journal of Rock Mechanics Mining Science and Geomechanics 32, v.3.
[9] Sarmadivaleh,M., 2012, Experimental and Numerical Study of Interaction of a Pre- Existing Natural Interface and an Induced Hydraulic Fracture, PhD thesis, Curtin University, Perth, Australia.
[10] Cheng, W., Jin, Y., Chen, M., 2015. Reactivation mechanism of natural fractures by hydraulic fracturing in naturally fractured shale reservoirs. J. Nat. Gas Sci. Eng. 27, 1357–1365. doi:10.1016/j.jngse.2015.11.018
[11] Keshavarz, A., Badalyan, A., Johnson, R., Bedrikovetsky, P., 2016. Productivity enhancement by stimulation of natural fractures around a hydraulic fracture using micro-sized proppant placement. J. Nat. Gas Sci. Eng.
[12] Dahi Taleghani, A., Gonzalez, M., Shojaei, A., 2016. Overview of numerical models for interactions between hydraulic fractures and natural fractures: Challenges and limitations. Comput. Geotech. 71, 361–368.
[13] Crouch, S.L., 1976, Solution of Plane Elasticity Problems by the Displacement Discontinuity Method: Int. J. Num. Methods Eng. v. 10, p. 301-343.
[14] Shou, K.J., Crouch, S.L., 1995. A higher order displacement discontinuity method for analysis of crack problems. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 32, 49–55.
[15] Fatehi Marji, M., 2013. On the Use of Power Series Solution Method in the Crack Analysis of Brittle Materials by Indirect Boundary Element Method,. Eng. Fract. Mech. 365–382.
[16] Fatehi Marji, M., 1997, Modeling of cracks in rock fragmentation with a higher order displacement discontinuity method, Middle East technical university.
[17] Fatehi Marji, M., Hosseini Nasab, H., Kohsari, A.H., 2007. A new cubic element formulation of the displacement discontinuity method using three special crack tip elements for crack analysis. J. Solids Struct. 1, 61–91.
[18] Guo, H., Aziz, N.I., Schmitt, L.C., 1990. Linear elastic crack tip modeling by displacement discontinuity method. Engin. Fract. Mech. 36, 933–943.
[19] Whittaker, B.N., Singh, R.N., Sun, G., 1992. Rock fracture mechanics, principles design and applications. Netherland.
[20] Abdollahipour, A., 2015. Crack propagation mechanism in hydraulic fracturing procedure in oil reservoirs, Yazd University.
[21] Abdollahipour, A., Fatehi Marji, M., Yarahmadi-Bafghi, A., Gholamnejad, J., 2016. Numerical investigation on the effect of crack geometrical parameters in hydraulic fracturing process of hydrocarbon reservoirs. J. Min. Environ.
[22] Abdollahipour, A., Fatehi Marji, M., Yarahmadi-Bafghi, A., Gholamnejad, J., 2015. Simulating the propagation of hydraulic fractures from a circular wellbore using the Displacement Discontinuity Method. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 80, 281–291.
[23] Lash, G.G., and Engelder, T., 2009, Tracking the Burial and Tectonic History of Devonian Shale of the Appalachian Basin by Analysis of Joint Intersection Style: Geological Society of America Bulletin, v. 121, p. 265–277.
[24] Behnia, M., Goshtasbi, K., FatehiMarji, M. Golshani, A.A., The Effect of Layers Elastic Parameters on Hydraulic Fracturing Propagation Utilizing Displacement Discontinuity Method. Journal of analytical and numerical methods in mining engineering. V. 2. Issue 3, 2013.
[25] Dollar, A. and Steif, P.S., 1989, A Tension Crack Impinging Upon Frictional Interfaces. J. Appl. Mech. 56, 291-298.
[26] Erdogan, F., Sih, G.C., 1963. On the crack extension in plates under plate loading and transverse shear. J. Basic Eng. 85, 519–27.