فهرست مطالب

مجله ژئومکانیک نفت
سال چهارم شماره 1 (بهار 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/03/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمد کمیلیان*، امید سعیدی، مهدی رهبر صفحات 1-21

    ارزیابی پایداری چاه در مرحله اول به منظور تعیین پنجره ایمن وزن گل حفاری است. تعیین حد پایین فشار گل حفاری به منظور جلوگیری از وقوع شکست برشی در دیواره چاه و حد بالای فشار گل به منظور جلوگیری از وقوع شکست کششی (شکست هیدرولیکی)، بر اساس گرادیان شکست برشی (SFG) و گرادیان شکستگی (FG) انجام می شود. در این مقاله به منظور بررسی اثر حضور شکستگی ها در مکانیسم های شکست چاه و تعیین پنجره ایمن گل حفاری، روابط تحلیلی و مدل سازی عددی به روش المان مجزا ارایه شده است. برای این منظور از معیار موهر کولمب - جیگر به منظور بررسی شکست برشی با در نظر گرفتن اثر حضور ناپیوستگی ها در مجاورت دیواره چاه استفاده شده است. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که در بازه های مشخصی از (β) که معرف نحوه جهت گیری ناپیوستگی در مقایسه با امتداد تنش افقی بیشینه است، حضور شکستگی ها اثری بر مقاومت نهایی توده سنگ نخواهد داشت. همچنین برخلاف این تصور که شکست برشی در امتداد تنش افقی کمینه رخ می دهد (در این مقاله منظور برای حالتی است که θ=0)، در حالتی که اثر حضور ناپیوستگی ها در نظر گرفته شود، بیشترین فشار گل موردنیاز به منظور جلوگیری از شکست و لغزش در امتداد چاه در زاویه (β=45+φ_w/2=52.25) و (θ=84.25) است. همچنین در بازه ی (17.5≤θ≤46.5) شکستگی ها اثر در مقاومت نهایی شکست نخواهند داشت. فشار گل عملیاتی برای چاه موردنظر بر اساس گزارش های حفاری شرکت نفت فلات قاره (Mpa) است. بر اساس روابط تحلیلی این فشار (  Mpa) تعیین شده است. نتایج حاصل از مدل سازی عددی به روش المان مجزا نشان داد که گسترش زون شکست پلاستیک، بیشترین جابجایی دیواره، لغزش در امتداد شکستگی ها و شکست های کششی در دو فشار تعیین شده تقریبا مشابه است. در حالتی که نسبت تنش افقی بیشینه به کمینه برابر با (σ_H/σ_h =1.65) در نظر گرفته شود، لغزش در امتداد شکستگی ها و گسترش شکستگی ها (زون شکست پلاستیک) در مجاورت چاه بیشتر است.

    کلیدواژگان: ارزیابی پایداری چاه، شکستگی، پنجره ایمن گل حفاری، گرادیان شکست برشی، گرادیان شکستگی، روش المان مجزا
  • علیرضا منصوری، علیرضا کیانی، محسن ده ودار*، پرویز معارف وند صفحات 22-42

    هدف از تمیزسازی چاه، بهبود روند حمل کنده های حفاری به سطح در حین عملیات حفاری است. تمیزسازی ناکافی منجر به مسدود شدن چاه، گیر لوله های حفاری، هرزروی سیال حفاری، افزایش گشتاور و کشش و بریدن رشته حفاری می شود. همه این مشکلات باعث افزایش زمان های غیر تولیدی و درنتیجه منجر به افزایش زمان و هزینه های حفاری می شود. پارامترهای متعددی از جمله خواص سیال حفاری، خواص کنده های حفاری، آرایش مجموعه ته چاهی، آرایش نازل های مته حفاری، زاویه انحراف چاه، دبی جریان سیال حفاری و نرخ نفوذ مته حفاری بر تمیزسازی چاه اثرگذارند. در این مقاله تلاش شده جدا از نقش کلیدی پایدار کننده ها در زاویه سازی، زاویه اندازی و تثبیت آن، به بررسی آزمایشگاهی اثر حضور پایدارکننده حفاری در مکان های مختلف مجموعه ته چاهی و زوایای انحراف مختلف چاه بر تمیزسازی چاه با استفاده از شبیه ساز آزمایشگاهی جریان در حلقه ی بسته پرداخته شده است. در جهت تحقق این امر یک پایدارکننده با چهار تیغه مستقیم در مقیاس آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد. تعدادی آزمایش با حضور پایدارکننده در دو آرایش نزدیک و دور از مته در زوایای انحراف متفاوت انجام شد و در نهایت تلاش شد تا با استفاده از داده های حاصله، مدلی شبیه ساز با استفاده از نرم افزار فلوینت ساخته شود تا در آینده مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به نتایج بدست آمده از کارهای آزمایشگاهی، حضور پایدارکننده حفاری نقش بسیار زیادی در بهبود فرآیند حمل کنده و در نتیجه تمیزسازی موثر چاه در زوایای بحرانی ایفا می کند.

    کلیدواژگان: پایدارکننده، تمیزسازی، حفاری، دینامیک سیالات محاسباتی، فلوئنت
  • ابوالفضل عبدالهی پور*، محمد فاتحی مرجی صفحات 43-52

    در بسیاری از زمینه های ژیومکانیک از جمله شکست هیدرولیکی در مخازن نفت و گاز عمیق، استخراج انرژی زمین گرمایی صرف نظر از اثرات گرمایی می تواند موجب خطای قابل ملاحظه در نتایج شود. بهره برداری و انگیزش مخازن نفت و گاز نامتداول بشدت وابسته به کارآیی عملیات شکست هیدرولیکی (HF) اجرا شده در چاه استخراجی است. در این عملیات شبکه ای از شکستگی ها ایجاد می شود که وظیفه افزایش هدایت پذیری سازند مخزنی اطراف چاه را بر عهده دارد. این شکستگی ها موجب افزایش جریان و دبی سیال به درون چاه بخصوص در مخازن با نفوذپذیری پایین می شوند. درک صحیح و کامل رفتار HF و شکستگی های ایجاد شده و رابطه آنها با میزان افزایش بهره وری موجب کاهش هزینه های سنگین عملیات شکست هیدرولیکی می شود. در این پژوهش اثرات گرمایی بصورت کوپل بر گسترش شکست هیدرولیکی بررسی می شود. برای اینکار از روش عددی ناپیوستگی جابجایی (DDM) از زیرمجموعه های روش های المان مرزی استفاده شده است. ابتدا اثرات حرارتی بر یک مدل ترموالاستیک با وجود یک منبع حرارتی بررسی شد. مدلسازی های انجام شده نشان داد که مرزهای مدل هندسی در تحلیل های عددی حرارتی باید بسیار فراتر از مدلسازی صرفا مکانیکی باشد، چرا که اثرات حرارتی تا عمق زیادی از محل منبع حرارتی قابل پیگیری است. در ادامه مدلسازی شکست هیدرولیکی تحت اثرات دمایی نشان داد که استفاده از سرمایش مخزن می تواند در گسترش شکست هیدرولیکی بسیار مفید باشد. سرمایش سازند اطراف چاه موجب افزایش دهانه شکست ایجاد شده می شود که ارتباط مستقیم با هدایت پذیری شکستگی ها دارد و عاملی مهمی در موفقیت عملیات HF است. همچنین با استفاده از سرمایش محیطی، می توان با فشاری کمتر از فشار مورد نیاز برای غلبه بر فشار شکست به گسترش شکست هیدرولیکی پرداخت. این عامل نیز موجب کاهش هزینه های اجرایی برای تهیه پمپ های قوی و اعمال فشار کمتر بر تاسیسات درون چاهی و سر چاهی می شود.

    کلیدواژگان: اثرات گرمایی، شکست هیدرولیکی، ناپیوستگی جابجایی، اثرات مرزی، هدایت پذیری هیدرولیکی
  • ایمان سعادت، مجید عسلی، پرویز معارف وند، محسن ده ودار*، علی شمسی پور صفحات 53-66
    وزن روی مته، سرعت چرخش آن و دبی سیال حفاری سه پارامتر تاثیرگذار عملیاتی در مطالعه انرژی ویژه حفاری و اندازه کنده های حفاری می باشند. در این مطالعه تلاش شده تا با استفاده از یک شبیه ساز عملیات حفاری، میزان انرژی الکتریکی مصرفی برای حفاری قالب های استوانه ای سیمانی با فرمولاسیون، طول و قطر مشخص در شرایط مختلف عملیاتی، اندازه گیری شود و در نهایت رابطه ای برای انرژی ویژه، نرخ نفوذ و گشتاور اعمالی ارایه شود. مقدار d50 برای هر نمونه مشخص شد. با افزایش سایز خرده های حفاری مقدار انرژی ویژه کاهش یافته اما رفته رفته با بیشتر شدن سایز آنها از مقدار بهینه، میزان تابع هدف افزایش یافته است و میتوان روند ارتباط بین این دو پارامتر را با معادله درجه دومی نشان داد که اکسترمم آن، شرایط بهینه حفاری است. دبی سیال بیشترین اثر را بر سایز ذرات، نرخ نفوذ، گشتاور اعمالی و انرژی ویژه از خود نشان میدهد. افزایش بار روی مته و دبی سیال سبب افزایش سایز خرده های حفاری شده اما با افزایش دور مته عمدتا سایز ذرات کاهش می یابد. در نمودار انرژی ویژه، نقطه اکسترممی در هر نمودار وجود دارد که پس از نقطه مذکور در اثر زیاد شدن دبی سیال و سرعت چرخش مته، انرژی ویژه حفاری از حالت بهینه خارج شده و رو به فزونی می گذارد. نمودار انرژی ویژه و گشتاور اعمالی نیز دارای یک نقطه کمینه است و پس از نقطه کمینه در اثر افزایش گشتاور اعمالی انرژی ویژه حفاری افزایش می یابد. تاثیر نرخ نفوذ بر انرژی ویژه نیز به گونه ایی است که پس از یک نقطه کمینه تاثیر مثبت افزایش نرخ نفوذ بر کاهش انرژی ویژه از بین رفته و مصرف انرژی حدودا ثابت خواهد شد.
    کلیدواژگان: انرژی ویژه، نرخ نفوذ سرمته، گشتاور اعمالی، وزن روی سرمته، دبی سیال حفاری، سرعت چرخش سرمته، عملیات حفاری: اندازه کنده ها
  • آرش شریعت زاده، مهدی حسینی*، مجید قدیری صفحات 67-79
    میزان تولید چاه های نفتی تابع پارامترهای متعدد مخزنی از جمله تراوایی سنگ است. شکستگی ها نقش مهمی در تراوایی سنگ دارند. چنانچه بتوان در سنگ مخزن شکستگی های مصنوعی ایجاد کرد تراوایی آن به شدت افزایش خواهد یافت. شکافت هیدرولیکی مهم ترین روشی است که به منظور ایجاد شکستگی های مصنوعی و افزایش تولید نفت و گاز در چاه ها صورت می گیرد. در این تحقیق چاه نفت و محیط اطراف آن که در یک مخزن کربناته در مناطق نفت خیز جنوب حفر شده در دو حالت بدون ایجاد تنش حرارتی و با در نظر گرفتن تنش حرارتی از طریق نرم افزار Abaqus مدلسازی می شود و اثر تنش حرارتی روی فشار شکست بررسی می شود. در نهایت پس از حل مدل فشار شکست بدست می آید و اثر تنش حرارتی روی فشار شکست بررسی می شود. نتایج نشان می دهد با ایجاد تنش حرارتی می توان فشار شکست در عملیات شکست هیدرولیکی را کاهش داد. برای صحت سنجی مدلسازی عددی از داده های فشار شکست هیدرولیکی که از روش آزمایشگاهی بدست آمده اند، کمک گرفته شد و نتایج مدلسازی عددی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد.
    کلیدواژگان: شکست هیدرولیکی، فشار شکست، تنش حرارتی، مدلسازی عددی، نرم افزار آباکوس
  • علی لکی روحانی*، محمد بهره دار صفحات 80-104

    تعیین جهت و مقدار تنش های برجا به عنوان اساسی ترین پارامتر مورد نیاز برای ارزیابی پایداری دیواره گمانه بسیار با اهمیت هستند. یکی از روش ها برای تعیین جهت و مقدار تنش های برجا، پدیده ی بریک-آوت گمانه است. پدیده ی بریک-آوت گمانه که منجر به خرابی و ریزش جدار گمانه حفاری شده می شود، ناشی از افزایش تنش برشی به علت تمرکز تنش فشاری در پیرامون گمانه است. در این مقاله با تلفیق روابط تنش پیرامون گمانه بر پایه تیوری الاستیسیته با معیار خرابی موگی-کولمب عرض و عمق خرابی بدست آمد. سپس حداقل فشار سیال داخل گمانه برای جلوگیری از خرابی دیواره گمانه مورد ارزیابی قرار گرفت و همچنین تاثیر مشخصات فیزیکی مصالح، نسبت تنش های برجا و فشار سیال بر روی ابعاد بریک-آوت بررسی شد. در بخش دوم مقاله برای ماسه سنگ انتخابی215 تحلیل بریک- آوت برای مشخصات مکانیکی و تنش های برجای مختلف انجام شد. هدف این مقاله ارزیابی ارتباط بین عرض و عمق خرابی می باشد. ضریب همبستگی بین عرض و عمق خرابی با استفاده از رگرسیون ساده خطی R=0.74 بدست آمد همچنین بر اساس روش برنامه ریزی بیان ژن (GEP) مقدار ضریب همبستگی R=0.82 نتیجه شد. این بدین معنی است که همبستگی متوسط تا زیادی بین این دو پارامتر وجود دارد و اگر قرار باشد مقادیر تنش برجای σ_h و σ_H را بر اساس هندسه بریک- آوت بدست آورد، با توجه به همبستگی بالای عرض و عمق خرابی فقط می توان یکی از این دو تنش را بدست آورد.

    کلیدواژگان: موگی-کولمب، بریک-آوت گمانه، برنامه ریزی بیان ژن، عرض و عمق خرابی، تنش برجای
|
  • Mohammad Komeilian *, Omid Saeidi, Mahdi Rahbar Pages 1-21

    Wellbore stability modeling for drilling operations is primarily to create a safe mud weight (mud pressure) window. The designed mud density will be high enough to ensure borehole stability and low enough to not fracture the formation (i.e., mud losses do not occur) Therefore, the safe mud weight should be greater than the pore pressure gradient and shear failure gradient and less than the fracture gradient. In this article in order to investigate the effect of fracture in wellbore failure mechanism and determination of safe mud window, analytical and numerical approach was conducted. In order to shear failure analysis in wellbore in fractured formation, Mohr–Coulomb, Jaeger failure criterion was used. For numerical simulation the distinct element method was used. The simulation of a wellbore in Persian Gulf for fracture formation was implemented in order to understanding the effect of discontinuity in wellbore failure mechanism. The results showed, in a specific angle (β), that represents the direction of fracture orientation relative to the horizontal stress, the fractures do not have any effect on strength of the rock mass. Furthermore, in fractured formation, shear failure do not occur in the direction of minimum horizontal stress, but the orientation of discontinuity specifies the failure and slips direction in wellbore. In this article the maximum mud pressure to prevent failure in wellbore occurs in (β=45+ϕ_w/2=52.25). Also in the range of (17.5≤θ≤46.5) the fractures do not have any effect on strength of the rock mass. The practical mud pressure which was used in drilling operation in real condition in Siri oil field was (40.55 Mpa) and the mud pressure determine in analytical solution is (36.92 Mpa). The numerical result (distinct element method) shows, the overall condition of normalized yield zone, shear failure slips along the fractures and tensile failure in two different pressure (36.92 - 40.55 Mpa) are almost similar. Parametric study results showed that in higher horizontal stress ratio (σ_H/σ_h ), wellbore is more instable and in an isotopic stress regimes the shear and slips along the discontinuity was eliminated.

    Keywords: Wellbore stability analysis, fracture, Safe mud weight window, Fracture gradient, Shear failure gradient Double, Distinct Element Method
  • AliReza Mansouri, AliReza Kiyani, Mohsen Dehodar *, PARVIZ MOAREFVAND Pages 22-42

    The general use of the stabilizer is in build, hold and drop in directional drilling. In this paper, it was tried to use it for hole cleaning study. Some experimental tests were performed by a closed flow loop to investigate the effect of the presence of drilling stabilizer in different positions of BHA and different hole inclinations. To achieve this goal, a stabilizer with four straight blades was designed and made in the experimental scale. Some experiments were performed with installing the stabilizer in two different positions of BHA (Near Bit and Far from Bit) in different hole inclinations. Finally, it was tried to construct a predicting model in FLUENT software to study the behavior of cuttings along the annulus in the presence of a stabilizer in near bit condition. According to the results, the presence of a drilling stabilizer has a significant effect on improving the cutting transport and subsequently hole cleaning process in critical inclinations.

    Keywords: stabilizer, Hole cleaning, Drilling, Computational Fluid Dynamic, Fluent
  • Abolfazl Abdollahipour *, Mohammad Fatehi Marji Pages 43-52

    Ignoring thermal effects in many applications of geomechanics including hydraulic fracturing of deep oil and gas reservoirs and geothermal energy extraction may result in significant errors in output. Production and stimulation of unconventional oil and gas reservoirs is highly dependent on performance of hydraulic fracturing (HF) jobs. These jobs create a network of fractures which are responsible for elevated hydraulic conductivity of the reservoir formation around the wellbore. The fractures increase inflow of hydrocarbons into the wellbore especially in low permeability reservoirs. A sound understanding of HF’s behavior and its relation to the increased production rate, decreases high costs of HF jobs. Thermal effects on HF propagation and mechanism are studied in this paper using the displacement discontinuity method. Firstly, the thermal effects on a thermoelastic model with a thermal source was studied. Models showed that boundaries of the geometrical model should be place farther from what was expected in elastic analyses to avoid boundary effects. The thermal effects were observed far away from the thermal source in the models.Then, thermal effects on a hydraulic fracture was modeled. It was shown that using a cold fluid for HF can decrease the required HF pressure for propagation. The HF width was also increased compared to an elastic model. This is an important parameter in determining hydraulic conductivity of the formation. The lower required pressure for HF propagation reduces the cost of equipment needed for the job, since they are not required to work at very high pressures.

    Keywords: Thermal effects, Hydraulic fracturing, the displacement discontinuity method, boundary effects, Hydraulic conductivity
  • Iman Saadat, Majid Asali, PARVIZ MOAREFVAND, Mohsen Dehodar *, Ali Shamsipoor Pages 53-66
    The energy consumed during good drilling depends on factors such as torque, drill speed, penetration rate, depth of cut. The mechanical energy for MSE is the concept used for the drilling operation efficiency, which refers to the amount of energy needed to separate a single volume of rock from the ground. In this thesis, by properly designing the path of electricity flow to the drilling unit and measuring it, the amount of energy consumed to drill a certain volume of rock is obtained. In this regard, the drilling machine is equipped with the equipment for measuring and distributing the size of drilling cuttings. the relationship between the specific energy and the size distribution of drill particles is investigated by drilling precast stone samples in the laboratory. The drill bits are collected in each test and their size and distribution are determined. Studies show that the size of the drill particles has an effective relationship with the specific energy, so that by decreasing the size of the particles, the drilling specific energy increases, which is due to the excess energy that is simply crushed and finely shredded. In this experiment, using the analysis of the results, the optimum size of the drilling cuttings where we have the least specific energy is determined and the main parameters of each test are considered, weight on bit, fluid flow and RPM.
    Keywords: specific energy, Bit penetration rate, Applied torque, Bit load, Drilling fluid flowrate, Bit rotational speed, Drilling Process, d50
  • Arash Shariat Zadeh, Mehdi Hosseini *, Majid Ghadiri Pages 67-79
    The production of oil wells is a function of several parameters, such as permeability. Fractures play an important role in rock permeability. If artificial fractures occur in the reservoir, its efficiency will increase. Hydraulic fracturing is the most important method used to create artificial fractures and increase oil and gas production in wells. In this research, the oil reservoir was modeled in two modes without creating thermal stress and considering the thermal stress through Abaqus software and the effect of thermal stress on the fracture pressure was investigated. Finally, after solving the model, the fracture pressure is obtained pressure and the effect of thermal stress on the fracture pressure is investigated. According to the results, by creating thermal stress, the fracture pressure in hydraulic fracturing can be reduced. Laboratory results was used to validate the model and the results of numerical modeling in this case are compared with laboratory results.
    Keywords: Hydraulic fracturing, fracture pressure, thermal stress, Numerical modeling, ABAQUS software
  • Ali Lakirouhani *, Mohammad Bahrehdar Pages 80-104

    Determining the directions and the values of in-situ stresses is of great importance as the most fundamental parameter needed to evaluate the borehole wall's stability. One of the methods for determining the directions and values of in-situ stresses is the borehole breakout phenomenon, which is developed by an increase in shear stress due to the concentration of compressive stress around the borehole and leads to the failure and collapse of the drilled borehole wall. In the present article, the width and depth of the failure were obtained by combining the stress relations around the borehole based on the theory of elasticity and through the Mogi-Coulomb failure criterion. Then, the minimum fluid pressure inside the borehole was evaluated to prevent damage to the borehole wall, and the effect of physical properties of materials, in situ stress ratio, and fluid pressure on the breakout dimensions was investigated. In the second section of this article, 215 breakout analyzes for different mechanical properties and in situ stresses were carried out for the selected sandstone. The objective of the present study is to evaluate the relationship between the width and depth of failure. The correlation coefficient between the width and depth of failure was equal to R=0.74 using simple linear regression. Moreover, the correlation coefficient's value was calculated to be R=0.82 based on the gene expression programming (GEP) method. It means that there is a moderate to strong correlation between these two parameters, and if the values of in situ stresses σ_h, σ_H to be obtained based on the breakout geometry, only the value of one of these stresses can be obtained due to the high correlation between width and depth of failure.

    Keywords: Mogi-Coulomb, Borehole breakout, Gene expression programming, width, depth of failure zone, in-situ stress