مطالعه عددی تاثیر فشار سیال بر رفتار ترک گسترده در پوش سنگ مخازن ذخیره سازی گاز

از جمله مسائل چالشی در حوزه مهندسی نفت، اطمینان از یکپارچگی پوش‌سنگ است. به طوری که با استحصال یا ذخیره‌سازی مواد هیدروکربوری، فشار حفره‌ای داخل مخزن تغییر کرده و ضمن باز توزیع تنش­ها، باعث ایجاد زون‌های آسیب دیده در پوش‌سنگ و نشت از آن می‌گردد. بنابراین، هدف اصلی در این مقاله، توسعه مدلی از پوش‌سنگ بوده تا از یک طرف بتواند المان‌های آسیب دیده به واسطه ایجاد ترک را شناسایی نموده و از طرف دیگر تاثیر فشار سیال داخل ترک بر توسعه ترک خوردگی را لحاظ نماید. بدین منظور از رویکرد ترک گسترده استفاده شده است. مطالعه تاثیر نفوذ سیال بر چگونگی رشد و توسعه ترک، همواره به عنوان چالشی جدی در مطالعه ترک مطرح بوده است؛ زیرا مدل‌سازی چنین فرایندی مستلزم انجام برنامه­نویسی حرفه‌ای و پیچیده برای ترک گسترده و یا جایگزین کردن ترک منفصل در نرم­افزارهای تجاری است. از این رو در این مقاله تاثیر فشار سیال در رشد ترک گسترده بر اساس تحلیل غیرخطی دینامیکی و کدنویسی در محیط برنامه‌نویسی فرترن مورد مطالعه قرار گرفته و بر اساس نرم‌افزار تجاری آباکوس اعتبارسنجی گردیده است. نتایج نشان داد که نه تنها جواب‌های حل مسئله از هر دو روش، تطابق خوبی داشته بلکه با ورود سیال به داخل ترک، بازشدگی ترک نیز به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. چنان که با افزایش میزان بار، ناحیه ترک خورده، گسترده تر شده به نحوی که برای بار 240 کیلونیوتن، ترک‌ها در فاصله 1 متری و برای بار 300 کیلو نیوتنی ترک‌ها در فاصله 5/2 متری از تکیه‌گاه، تیر یک سر گیردار ایجاد شد. همچنین با افزایش فشار سیال از صفر به 05/0 و 1/0 مگاپاسکال، میزان بازشدگی ترک (که همان افزایش کرنش سازه پس از ایجاد ترک می­باشد)، از 15 تا 25 درصد، در مقایسه با حالت بدون اعمال فشار سیال در ترک افزایش می­یابد؛ که این نتیجه با واقعیت موجود منطبق است. از طرفی براساس نتایج حاصله، در گام‌های محاسباتی یکسان، با افزایش فشار سیال، مقدار باربرداری در کرنش‌های بزرگ‌تری حادث شده، که این مهم نیز به دلیل افزایش بازشدگی دهانه ترک می­باشد. نتایج مربوط به تاریخچه­ی مقادیر تنش در نقطه گوسی از یک طرف نشان می­دهند که در کدام گام محاسباتی، نقاط مورد نظر درگیر بارگذاری، باربرداری، کشش یا فشار می­باشند و از طرفی دیگر گویای این واقعیت هستند که با افزایش فشار سیالِ داخل ترک، میزان تنش موثر کاهش می­یابد.

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

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 redefinition 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 stressstrain 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.