مدل سازی ایجاد و رشد ترک در نمونه های متخلخل در اثر فشار سیال با استفاده از نرم افزار آباکوس

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مکانیک سنگ، گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان

2 استادیار گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان

3 دانشیار گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان

چکیده

با توجه به اهمیت بالای شکست هیدرولیکی در صنایع نفت و گاز برای تحریک و افزایش ظرفیت مخازن نفتی، تحلیل رشد ترک در این محیط‌ها طی این فرآیند، بسیار حایز اهمیت است. با وجود آن که مقدار تخلخل در این مخازن ممکن است پایین باشد اما این تخلخل‌ها و ترک‌ها حتی در مقیاس میکرو به عنوان نقاط ضعف و ناپیوستگی‌های محیط به شمار می‌آیند و عامل تعیین‌کننده‌ای در تعداد و مسیر ترک‌ها هستند. در مقاله حاضر، با استفاده از علم مکانیک شکست الاستیک خطی، نحوه ایجاد، رشد و گسترش ترک در نمونه‌های متخلخل در اثر فشار سیال، به روش اجزای محدود توسعه‌یافته (XFEM) با نرم‌افزار اجزای محدود آباکوس، بر اساس معیار حداکثر تنش اصلی و معیار مستقل از حالت شکست، مدلسازی و تحلیل شده است. برای صحت‌سنجی روش ارایه شده، نتایج مدلسازی عددی با نتایج تحلیلی موجود به روش KGD مقایسه شده و با خطای 04/0 درصد در حداکثر اندازه دهانه ترک و 87/4 درصد در حداکثر طول ترک، تطابق قابل قبولی حاصل شد. صحت نتایج نشان داد که استفاده از المان‌های فنر با عنوان تکیه‌گاه الاستیک برای شبیه‌سازی خواص الاستیک محیط پیرامونی مدل، می‌تواند مفید و موثر باشد. فرآیند مدلسازی شکست هیدرولیکی روی تصاویر میکرو سی‌تی‌‌اسکن سه نمونه واقعی ماسه‌سنگ انجام و مسیر و نحوه رشد ترک تحلیل و بررسی شده است. همچنین میزان انرژی جذب شده در واحد طول در هر نمونه محاسبه و شکل نهایی گسترش ترک با افزایش فشار تزریق ارایه شده است. در ادامه، با محاسبه درصد فضای خالی قبل و بعد از شکست در هر نمونه، شکست مطلق و نسبی در هر مورد محاسبه و نتایج با یکدیگر مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که در اثر فشرده شدن و کاهش تخلخل در نمونه‌ها، انرژی جذب شده در واحد طول کاهش یافته است و سطح کمتری از نمونه تحت تاثیر شکست هیدرولیکی قرار می‌گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling of crack initiation and propagation in porous samples due to fluid pressure using Abacus software

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mehdi Golabi 1
  • Seyed Ahmad Lajevardi 2
  • Sadegh Karimpouli 3
1 Mining Department, Engineering Faculty, University of Zanjan
2 Materials Department, Engineering Faculty, University of Zanjan
3 Mining Department, Engineering faculty, University of Zanjan
چکیده [English]

Given the high importance of hydraulic failure in the oil and gas industry in order to stimulate and increase the capacity of oil reservoirs, the analysis of crack propagation in these environments during this process is very important. Although the amount of porosity in such reservoirs may be low, but these porosities and cracks, are considered as weaknesses and discontinuities of the environment and a determining factor in the number and propagation path of the cracks. In the present paper, using the linear elastic fracture mechanics, initiation, propagation and spread of cracks in porous samples are modeled by the finite element method (XFEM) developed in Abacus software, based on the criterion of the maximum principle stress and the criterion of independent of the failure. In order to validate the proposed method,, the results were compared with the KGD method and with an error of 0.04% in the maximum crack opening size and 4.87% in the maximum crack length, an acceptable agreement was obtained. The results showed that the use of spring elements as elastic support to simulate the elastic properties of the environment can be useful and effective. The hydraulic fracture modeling process is performed on microscopy-CT scan images of three real sandstone samples and the crack growth path is analyzed. Also, the amount of energy absorbed per unit length in each sample is calculated and the final path of crack propagation with increasing injection pressure is presented. Then, by calculating the percentage of empty space before and after failure in each sample, absolute and relative failures in each case are calculated and the results are compared with each other. The results show that due to compression and reduction of porosity, the absorbed energy per unit length decreases and a lower level of the sample is affected by hydraulic failure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crack propagation
  • XFEM
  • Porous media
  • Numerical Modeling
  • hydraulic fracturing
منابع 1. Kumari W.G.P., Ranjith P.G., Perera M.S.A., Li X., Li L.H., Chen B.K., Avanthi Isaka B.L., De Silva V.R.S., “Hydraulic fracturing under high temperature and pressure conditions with micro CT applications: Geothermal energy from hot dry rocks”, Fuel, Vol. 230, 2018, pp. 138-154.## 2. Gupta, Ishank , Rai, Chandra , Devegowda, Deepak , and Carl H. Sondergeld. "Fracture Hits in Unconventional Reservoirs: A Critical Review." SPE J. 26 (2021): 412–434. doi: https://doi.org/10.2118/203839-PA## 3. List F., Kumar K., Pop I. S., and Radu F. A., "Upscaling of unsaturated flow in fractured porous media," arXiv:1807.05993, 2018.## 4. Khoei A. R., Vahab M., Haghighat E., and Moallemi S., "A mesh-independent finite element formulation for modeling crack growth in saturated porous media based on an enriched-FEM technique," International Journal of Fracture, vol. 188, no. 1, pp. 79-108, 2014.## 5. Mohammadnejad T. and Khoei A., "An extended finite element method for hydraulic fracture propagation in deformable porous media with the cohesive crack model," Finite Elements in Analysis and Design, vol. 73, pp. 77-95, 2013.## 6. El Rabaa W., “Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells”, in: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers; 1989.## 7. Deng J, Lin C, Yang Q, Liu Y, Tao Z, Duan H. “Investigation of directional hydraulic fracturing based on true tri-axial experiment and finite element modeling.” Comput Geotech 2016;75:28–47.## 8. Zoback M, Rummel F, Jung R, Raleigh C. “Laboratory hydraulic fracturing experiments in intact and pre-fractured rock”. Int J Rock Mechan Min Sci Geomechan Abstract 1977;14:49–58.## Saberhosseini S.E, Ahangari K, Mohammadrezaei H, “Optimization of the horizontal-well multiple hydraulic fracturing operation in a low-permeability carbonate reservoir using fully coupled XFEM model”, Int J Rock Mechan Min Sci 2019, Vol. 114: 33-##