شکست هیدرولیک در استخراج نفت و گاز به عنوان یکی از روشهای مؤثر و کاربردی شناخته شده است که موجب افزایش یافتن قابل توجه مقدار تولید میشود. در آن دسته از مخازن نفتی و گازی که از این روش بهره برداری میشود مقدار تولید به‌صورت کاملا مستقیم به مقدار و نحوه گسترش شکستگیبسته می‌باشد. در پژوهش‌های علمی صورت گرفته، تحلیل رفتار شکستگی‌ها و بررسی مقدار شکستگی با خروجی مدلهای صورت گرفته در قبل مقایسه شده است و نتایج آن تحقیقات به این موضوع اشاره می‌کند که پس از انجام فرایند تزریق و پمپاژ، میزان گسترش و بازشدگی شکستگی‌ها در حال تغییر یافتن است. در مرحله بعدی تحقیقات و مطالعات در این موضوع، نکته بسیار با اهمیت مقدار فشار تخلخلی در طول شکستگی است که بایستی مورد بررسی و تحلیل تخصصی قرار گیرد. با در نظر گرفتن میزان فشار منفذی در طول شکستگی و مقدار شکست، مدلسازی به روش اجزای محدود انجام میشود. در این روش از ابتدای کار نحوه انجام فرایند تزریق و پمپاژ پروپانت در نظر گرفته شده است و در انتهای پژوهش‌های علمی، مقایسه نتایج این پژوهش‌ها با روش ها و مطالعات پیشین بیانگر کاربردی بودن این روش به نسبت دیگر تکنیک‌ها می‌باشد.
آشنایی کلی با شکست هیدرولیکی
شکست هیدرولیکی (Hydraulic fracturing) یا در اصطلاحات تخصصی‌تر فرکینگ، در واقع یک فرایند تحریک چاه پیشرفته است که در آن صخره‌ی حاوی منابع نفت و گاز به وسیله یک نوع مایع فشرده‌شده شکسته میشود. این فرایند شامل مراحلی همانند تزریق پرفشار سیال مخصوص فرکیینگ (به صورت معمول آب، به همراه ماسه و دیگر انواع مواد سخت‌کننده) به حفره حفاری به منظور ایجاد کردن ترکهایی در آرایش صخره‌ها می‌باشد که از طریق آن مواد معدنی همانند گاز طبیعی، نفت خام و آب نمک به صورت آزادانه‌تر جریان یابند. زمانی فشار هیدرولیک از روی چاه برداشته شود، دانه‌های کوچک پراپنت‌های شکست هیدرولیکی (یا ماسه یا آلومینیوم اکسید) مسیر شکستگی‌ها را باز نگه می‌دارند.
محاسبات هیدرولیکی در خطوط لوله چیست؟
فرآیند شکست هیدرولیکی در جهت نخستین بار در دهه 30 میلادی به وسیله‌ی شرکت مهندسی شیمیایی Chemical Dow بیان شد و در جهت نخستین بار در تاریخ صنایع نفت و گاز در سال 1947 میلادی در یک چاه گازی به منظور مقایسه کردن با روش‌هایی همانند روش اسیدکاری صورت پذیرفت و نتایجی بسیار قابل قبول را در بر داشت. به همین منظور این روش به صورت گسترده در جهت افزایش بهره‌وری به کار گرفته میشود و در مناطق صنعتی از جمله میدان‌های گازی با میزان نفوذپذیری پایین و مقدار رسوبات ساحلی ضعیف همانند مناطقی چون خلیج مکزیک، بسترهای زغال نرم در جهت انجام عملیات‌هایی نظیر استخراج متان و همینطور ساختارهای پیچیده هندسی همانند تشکیالت عدسی قابل انجام گرفتن است. از کاربردهای تخصصی دیگر شکست هیدرولیک میتوان به مواردی همانند عمل دفع کردن زباله‌های حفاری در زیر زمین و همینطور تولید گرما از ذخایر ژئوترمال در محل فعالیت اشاره کرد.
شکست هیدرولیک به صورت کلی یک چرخه پیچیده است که بایستی طی سه فرایند تغییر شکل مکانیکی ناشی از فشار مایع بر روی سطح شکست، انتشار شکستگی و جریان مایع در داخل شکستگی در نظر گرفته شود تا با عملکرد بالا و به خوبی انجام گیرد. پارامترهای مهمی از قبیل لیتولوژی مخزن مورد مطالعه، جنس سازند جهت انتخاب نوع سیال، الگوهای تنش منطقه‌ای و محلی و همینطور آنالیز دقیق الگوهای ژئوفیزیکی در جهت ارزیابی پارامترهای مختلفی همانند درجه اشباع آب، تخلخل و مشخصات مکانیکی دیگر (مدول یانگ، نسبت پواسون، مدول برشی، تراکم پذیری حجمی) تمامی لایه‌های نزدیک سازند تولیدی بر روند انجام پذیرفتن و اجرای صحیح عملیات شکست هیدرولیکی مؤثر هستند. همچنین میتوان از مشخصات مکانیکی مختلف مواد مورد استفاده در طی فراینذ شکست هیدرولیکی جهت پیشبینی نسبتا دقیق شکل و ابعاد ترک ایجاد شده و تعیین کردن پروفایل تنشها بر مخازن استفاده کرد.
جهت شرکت در دوره آموزش پایپینگ در نوین پارسیان کلیک کنید
روش های شبیه سازی شکست هیدرولیکی
تا به حال روشهای بسیار مختلف و متعددی در جهت انجام دادن موثر شبیه‌سازی شکست هیدرولیکی ارائه شده است. معیار رشد ترک در حداکثر تنش محیطی در حالت ترکیبی شکست به وسیله‌ی دانشمندانی همانند Erdogan & Sih (1963) و همچنین Richie et al. (1973) معرفی شد. از دیگر مدلهای ارائه شده در جهت پیش‌بیشنی و شبیه سازی شکست هیدرولیکی میتوان به مدلی تحت عنوان KGD اشاره کرد که به وسیله‌ی دانشمندانی همانند Khristianovich & Zheltov (1995) و همچنین Geertsma & De Klerk (1969) بیان گشت که در آن به صورت مستقل صفحه تغییر KGD تدوین گشت. Simonson et al. (1978) مدل رشد ارتفاع سه لای‌های، ارتفاع شکست را در قالب تابعی از فشار در نواحی تنش محدود کننده بالاتر ارائه نمودند که این را میتوان به عنوان یک پیشرفت اساسی در مدلهای نوع PKN در بهبود تفسیر فشار‌های شکست ارزش ابزاری بسیار بالایی داشت. Dean & Schmidt (2009) و همینطور Devloo et al. (2006) بررسی انتشار ترک را در محیط یک مخزن لای‌های به همراه تزریق کردن سیال غیرنیوتنی بررسی نمودند. Fung et al. (1978) مدل ارائه شده‌ی Simonson et al. (1978) را در مباحثی همانند موارد چندلای‌های غیرمتقارن تا حد بسیار زیادی گسترش دادند. Zhou et al. (2006) و پس از آنها Dehghan et al. (2014) به صورت تخصصی سازوکار شکست هیدرولیکی در مخازن از نوع شکافدار و همینطورتأثیر مقاومت برشی شکاف طبیعی در مسئله‌ی برخورد به شکاف هیدرولیک را به وسیله‌ی آزمون‌‌های سه محوره به شکل تخصصی بررسی کردند و این فرایند به کمک روشهای مختلف و متعدد عددی من جمله فرایند‌های اجزای محدود مورد توجه بسیار قرار گرفت که در آنها به صورت معمول تغییر شکل سنگ بر پایه‌ی نظریه الاستیسیته خطی و علاوه بر آن جریان سیال بر پایه‌ی تئوری روانسازی مدل میشوند.
همچنین معیار انتشار شکست معمولا با روش نرخ آزاد سازی انرژی مرتبط با تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی ارائه گشته است که در آن بایستی میزان فاکتور شدت تنش با سختی سنگ سازگار باشد. و این مسئله نشان‌دهنده‌ی این موضوع می‌باشد که عمل تعیین و یا پیش بینی موفقیت فرایند شکست هیدرولیکی تابع چندین متغیر مختلف می‌باشد. در این سری پژوهش‌ها با استفاده کردن از روش اجزای محدود مقدار بازشدگی شکستگی و همینطور فشار منفذی در طول شکستگی در فواصل متفاوت زمانی با توجه به فاکتورهای متاوت با فرض مدل سطح شکست عمودی ارزیابی میشود.
در روش شکست هیدرولیک، ترک ایجاد شده در صخره‌ی حاوی منابع معدنی همانند نفت و گاز، تحت تأثیر فشار سیال تزریق شده دارای عرضی باریک و سطحی گسترده می‌باشد و در صفحه‌ای عمود بر محور تنش اصلی حداقل درجا منتشر می‌گردد. با توجه کردن به نحوه و اهمیت کاربرد این روش در اعماق زیاد، ترک‌های هیدرولیکی ایجاد شده در اکثر موارد انجام شده به صورت عمود و دارای گسترش صفحه‌ای هستند Cleary and Lam (1987) و هدف اصلی تعیین کردن تابع زمانی پروفیل بازشدگی ترک بر پایه‌ی نرخ یا فشار سیال معلوم در گمانه است. در این حالت مدل شکست هیدرولیک مشتمل بر معادله جریان سیال، معادله الاستیسیته، اتلاف وابسته به زمان سیال تزریق شده بعد از ایجاد کردن شکست در مخزن متخلخل، همینطور معادله انتقال پروپانت و حالت رشد شکست (کنترل کننده شیوه و نرخ رشد شکست هیدرولیک) می‌باشد که این موارد بایستی به صورتی کاملا پایدار با یکدیگر جفت شوند تا قابلیت این را داشته باشند که مواردی از جمله فشار سیال، اثر شکست، عرض شکست و غلظت پروپانت را به عنوان توابعی از زمان و فضا و فرضیاتی از قبیل سازند مخزن، تبعیت سیال در حین شکست، الیه‌بندی موازی مخزن، قرار داشتن شکست هیدرولیک در صفحه ای عمودی و مجزا، غیرقابل فشرده سازی بودن سیال و عدم امتزاج تزریق‌های متوالی سیالات متعدد در آنها را پوشش دهند.
جهت شرکت در دوره آموزش طراحی پایپینگ در نوین پارسیان کلیک کنید
مراحل کلی فرایند شکست هیدرولیکی
فرایند شکست هیدرولیکی به صورت معمول ۴ مرحله دارد.
- عملیات مشبک‌کاری: در طی این مرحله در داخل فضای چاه، تعدادی انفجار کنترل شده صورت می‌گیرد، این انفجارها موجب میشوند در تمامی بدنه چاه ترکهایی با مقیاسهای به نسبت کوچکی به وجود بیاید. این انفجارها با یاری گرفتن از ابزاری صورت می‌گیرد که به آن تنفنگ مشبک‌کننده می‌گویند.
- عملیات پمپاژ کردن سیال به درون چاه و ایجاد کردن شکاف‌های اولیه
- ادامه عملیات پمپاژ سیال و شروع کردن فرایند پمپاژ پروپانت
- توقف پمپاژ و خارج کردن سیال شکافت از درون چاه پس از به دست آوردن شکست های هیدرولیکی دلخواه
ابزار های مورد استفاده در عملیات شکست هیدرولیکی
ابزار هایی که معمولا در طی فرآیند هیدروفرکینگ از آنها بهره برداری میشود شامل موارد زیر است:
- یک یا چند عدد پمپ صنعتی فشار قوی و با حجم به نسبت بالا
- میکسر
- واحد کنترل
- مخزن ذخیره و کنترل مواد پروپانت
- مخازن شکننده
- مواد شیمیایی افزودنی
- لوله های انعطاف پذیر و همچنین کم فشار
- ابزار های اندازه گیری فاکتورهای ویژه همانند دبی، فشار، چگالی و …
پارامتر های با اهمیت در شکست هیدرولیکی
مهندس متخصصی که بر یک فرآیند شکست هیدرولیکی نظارت دارد و مسئولیت بررسی کیفیت اجرایی آن را برعهده دارد، بایستی به یک سری اطلاعات و فاکتورهای ویژه توجه کند.
این اطلاعات به صورت کلی دو دسته تقسیم میشوند: پارامتر های با قابلیت اندازه گیری و پارامتر های با قابلیت کنترل
پارامتر های با قابلیت کنترل
برخی از پارامتر هایی که این امکان وجود دارد تا به وسیله‌ی مهندسین، کنترل شوند این دسته از پارامترها را تشکیل می‌دهند که به صورت کلی شامل موارد زیر می‌باشند:
- جزییات چاه
- میزان دبی تزریق سیال
- مقدار ویسکوزیته سیال شکننده
- چگالی سیال شکننده
- افزودنی های هدر رفت سیال
- نوع پروپانت
- حجم پروپانت
جهت شرکت در دوره آموزش محاسبات مخازن تحت فشار در نوین پارسیان کلیک کنید
پارامتر های با قابلیت اندازه گیری
امکام کنترل کردن و تنظیم یک سری از پارامتر ها وجود ندارد، اما این الزام وجود دارد که آنها اندازه گیری شوند. برخی از این دسته پارامتر ها عبارتند از:
- نفوذ پذیری کار
- عمق کار
- تنش های محل مورد نظر در محل
- تنش های لایه های اطراف لایه‌های مورد نظر
- مدول سنگ ها
- فشار مخازن زیر زمینی
- تراکم پذیری
- تخلخل کار
- ضخامت مخزن
کاربردهای تخصصی شکست هیدرولیک
نفت و گاز امکان دارد در سنگ های نفوذ ناپذیر در اعماق بسیار پایین زمین ذخیره شده باشد، به عنوان مثال در مواردی همانند شِیل ها (shale) یا زغال سنگ ها. با کمک گرفتن از فرایند هیدروفرکینگ میتوان به منابع ذخیره شده در اعماق زمین دست پیدا کرد و نفت و گاز را به چاه های حفاری شده جریان داد، و سپس آن ها را به روشهای معمول تر استخراج کرد. شکست هیدرولیکی یا هیدروفرکینگ کاربردهای بسیار زیاد و متنوعی دارد؛ اما از اغلب اوقات و مواردی که از تکنیک‌هایهیدروفرکینگ استفاده میشود، میتوان به موارد پایین اشاره کرد:
- به جریان انداختن نفت و گاز از جاهایی که میزان نفوذپذیری بسیار کمی دارند:
برخی مخازن معدنی در اعماق زمین، از نفوذ پذیری بسیار کمی برخوردارند که میزان نرخ جریان سیالات در آن ها بسیار محدود و مشکل است. در این موارد تکنیک شکست هیدرولیکی به صورت ویژه کارآمد است. - به جریان انداختن نفت و گاز از آن دسته چاه هایی که آسیب شدید دیده اند:
امکان دارد در حین انجام عملیات حفاری چاه ها، ایجاد دسترسی به مخازن نفت و گاز و یا به صورت طبیعی و بدون دخالت انسان، منافذ مخازن آسیب ببینند و نفوذ پذیری تا حد مشکل سازی کاهش یابد، در نتیجه نرخ جریان سیالات نیز تا اندازه قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند. در این شرایط در جهت افزایش میزان نفوذ پذیری، عملیات هیدروفرکینگ انجام میشود. - اتصال پیدا کردن شکاف های طبیعی با شکاف های موجود در چاه ها
- کاهش افت فشار در چاه ها در جهت به حداقل رساندن رسوبات
- افزایش فضا در جهت تخلیه یا دسترسی به بستر چاه
- اتصال مخازن عمودی به چاه های افقی یا شیب دار
- کاهش افت فشار در چاه ها در جهت به حداقل رساندن تولید شن
جهت شرکت در دوره آموزش سایزینگ پایپینگ در نوین پارسیان کلیک کنید
مشکلات عملیات های شکست هیدرولیکی
شکست هیدرولیکی در کنار تمامی نکات مثبت، فواید و کمک هایی که در جهت انجام عملیات‌های استخراج نفت و گاز دارد، موجب ایجاد مشکلاتی در زمینه‌های محیط زیستی نیز می‌گردد. از جمله این مشکلات میتوان به این موارد اشاره کرد:
- استفاده فراوان از منابع آبی
- پخش شدن مواد شیمیایی روی سطح زمین
- اثرات منفی استخراج شن و ماسه در جهت انجام هیدروفرکینگ
- تاثیرات منفی زباله های سیالات استفاده شده در طی این فرآیند بر روی کیفیت آب های سطحی
- تاثیرات منفی بر روی کیفیت حوضچه‌های آب های زیر زمینی
- تحریک شدن لایه های عمیق زمین به وسیله‌ی زباله های سیالات شکاف دهنده
حفاری زمین در جهت استخراج نفت و گاز نیز به صورت کلی موجب وارد آوردن آسیب‌های زیست محیطی زیر میشود:
- افت کیفیت هوا
- آلودگی صوتی
- آلودگی نوری
- تاثیرات منفی بر روی حیات وحش منطقه
