مطالعه عددي تاثير فشار سيال بر رفتار ترك گسترده در پوش سنگ مخازن ذخيره سازي گاز

A Numerical Study of the Effect of Fluid Pressure on Smeared Cracking Behavior in the Caprock of Underground Gas Storage Reservoirs

از جمله مسائل چالشي در حوزه مهندسي نفت، اطمينان از يكپارچگي پوش‌سنگ است. به طوري كه با استحصال يا ذخيره‌سازي مواد هيدروكربوري، فشار حفره‌اي داخل مخزن تغيير كرده و ضمن باز توزيع تنش­ها، باعث ايجاد زون‌هاي آسيب ديده در پوش‌سنگ و نشت از آن مي‌گردد. بنابراين، هدف اصلي در اين مقاله، توسعه مدلي از پوش‌سنگ بوده تا از يك طرف بتواند المان‌هاي آسيب ديده به واسطه ايجاد ترك را شناسايي نموده و از طرف ديگر تأثير فشار سيال داخل ترك بر توسعه ترك خوردگي را لحاظ نمايد. بدين منظور از رويكرد ترك گسترده استفاده شده است. مطالعه تأثير نفوذ سيال بر چگونگي رشد و توسعه ترك، همواره به عنوان چالشي جدي در مطالعه ترك مطرح بوده است؛ زيرا مدل‌سازي چنين فرايندي مستلزم انجام برنامه­نويسي حرفه‌اي و پيچيده براي ترك گسترده و يا جايگزين كردن ترك منفصل در نرم­افزارهاي تجاري است. از اين رو در اين مقاله تأثير فشار سيال در رشد ترك گسترده بر اساس تحليل غيرخطي ديناميكي و كدنويسي در محيط برنامه‌نويسي فرترن مورد مطالعه قرار گرفته و بر اساس نرم‌افزار تجاري آباكوس اعتبارسنجي گرديده است. نتايج نشان داد كه نه تنها جواب‌هاي حل مسئله از هر دو روش، تطابق خوبي داشته بلكه با ورود سيال به داخل ترك، بازشدگي ترك نيز به طور قابل ملاحظه‌اي افزايش مي‌يابد. چنان كه با افزايش ميزان بار، ناحيه ترك خورده، گسترده تر شده به نحوي كه براي بار 240 كيلونيوتن، ترك‌ها در فاصله 1 متري و براي بار 300 كيلو نيوتني ترك‌ها در فاصله 5/2 متري از تكيه‌گاه، تير يك سر گيردار ايجاد شد. همچنين با افزايش فشار سيال از صفر به 05/0 و 1/0 مگاپاسكال، ميزان بازشدگي ترك (كه همان افزايش كرنش سازه پس از ايجاد ترك مي­باشد)، از 15 تا 25 درصد، در مقايسه با حالت بدون اعمال فشار سيال در ترك افزايش مي­يابد؛ كه اين نتيجه با واقعيت موجود منطبق است. از طرفي براساس نتايج حاصله، در گام‌هاي محاسباتي يكسان، با افزايش فشار سيال، مقدار باربرداري در كرنش‌هاي بزرگ‌تري حادث شده، كه اين مهم نيز به دليل افزايش بازشدگي دهانه ترك مي­باشد. نتايج مربوط به تاريخچه­ي مقادير تنش در نقطه گوسي از يك طرف نشان مي­دهند كه در كدام گام محاسباتي، نقاط مورد نظر درگير بارگذاري، باربرداري، كشش يا فشار مي­باشند و از طرفي ديگر گوياي اين واقعيت هستند كه با افزايش فشار سيالِ داخل ترك، ميزان تنش مؤثر كاهش مي­يابد.

The injection or extraction of gas can change the pore pressure within the reservoir, which in turn results in redistribution of the stress field. Consequently, the induced deformations within the reservoir and the sealing caprock can potentially prompt a damage zone in the caprock.The main objective of this paper is to develop a model to estimate the growth and extension of cracks in the caprock. In order to achieve this aim, the smeared crack approach is used to model the process of cracking in the caprock. To do this, we will employ smeared crack approach to study the initiation and propagation of cracks in caprock of subsurface reservoir. There are generally three approaches in solid mechanics when modelling cracks: discrete crack, interface elements and smeared crack. Although, discrete crack approach reflects the fracture development phenomenon most closely, it does not fit the nature of numerical methods and it can computationally expensive with development of cracks, each node is replaced by more nodes, which entails re-definition of finite element mesh and hence more computational resources are needed. On the other hand, smeared crack approach assumes that the cracked solid is a continuum and permits the description of the medium in terms of conventional stress-strain equations. Within the smeared crack framework, small cracks are formed in the band are gradually connected to each other and one or more cracks may be defined for each gauss point of each element. As one of the important innovations of this paper, the study of the effect of fluid pressure on the smeared crack propagation, has been done, which is based on coding in FORTRAN programming environment. Due to the results obtained by the flow of fluid into the crack, the crack opening increased significantly.