بررسی مدل های پیش بینی تولید شن و ماسه
بررسی مدل های پیش بینی تولید شن و ماسه تولید شن و ماسه در چاه‌های نفت و گاز در صورتی می‌تواند اتفاق بیفتد،
جریان سیال از آستانه مشخصی فراتر رود که توسط عواملی مانند قوام سنگ مخزن، وضعیت تنش و نوع تکمیل مورد استفاده،
در اطراف چاه کنترل می‌شود. مقدار جامدات می تواند کمتر از چند گرم در هر متر مکعب سیال مخزن باشد.
فقط مشکلات جزئی ایجاد می کند، یا مقدار قابل توجهی در مدت زمان کوتاهی ایجاد می کند که منجر به فرسایش،
در برخی موارد پر شدن و مسدود شدن چاه می شود. این مقاله مروری بر رویکردها و مدل‌های انتخاب شده‌ای؛
برای پیش‌بینی سنباده‌سازی توسعه داده شده‌اند، ارائه می‌کند. بسیاری از این مدل ها بر اساس فرض پیوستگی هستند،
در حالی که تعدادی از آنها اخیرا بر اساس مدل عناصر گسسته توسعه یافته اند. برخی از مدل ها فقط قادر به ارزیابی شرایطی هستند.
منجر به شروع سنباده می شود، در حالی که برخی دیگر قادر به پیش بینی حجمی هستند.
برخی از مدل ها از فرمول های تحلیلی استفاده می کنند، به ویژه آنهایی که برای تخمین شروع سنباده زدن استفاده می کنند.
حالی که برخی دیگر از مدل های عددی، به ویژه در محاسبه نرخ سنباده استفاده می کنند.
اگرچه پیشرفت‌های عمده‌ای در دهه گذشته به دست آمده است، ابزارهای سنباده هنوز قادر به پیش‌بینی،
جرم ماسه و میزان سنباده‌زنی برای همه مشکلات مزرعه به شکلی قابل اعتماد نیستند.
1. معرفی
بخش قابل توجهی از ذخایر نفت و گاز جهان در مخازن ماسه سنگی ضعیف قرار دارد و از این رو مستعد تولید ماسه است.
تخریب مواد یک فرآیند کلیدی است که منجر به سنباده می شود. عملیات حفاری، اثرات چرخه‌ای خاموش و راه‌اندازی،
شرایط عملیاتی، کاهش فشار مخزن، و اثر تضعیف قدرت آب ممکن است به تدریج منجر به تخریب ماسه‌سنگ در اطراف سوراخ‌ها و گمانه‌ها شود.
گرادیان فشار بالا به دلیل جریان سیال نیز جدا شدن ذرات ماسه را تسهیل می کند.
علاوه بر این، جریان سیال وظیفه انتقال و تولید ذرات ماسه بدون چسبندگی یا توده های ماسه جدا شده به چاه را بر عهده دارد.
تولید شن و ماسه عامل بسیاری از مشکلات در صنعت نفت است و بر تکمیل آن تأثیر نامطلوبی می گذارد.
این مشکلات شامل، اما نه محدود به، مسدود کردن سوراخ‌ها یا لاینر تولید، ناپایداری چاه، شکست در تکمیل کنترل شن و ماسه،
ریزش برخی از بخش‌های چاه افقی در سازندهای تجمیع‌نشده، اثرات زیست‌محیطی، هزینه اضافی اصلاح و تمیز کردن است.
عملیات بالا و فرسایش خطوط لوله و تاسیسات سطحی در صورت خروج شن و ماسه از چاه. جلوگیری مکانیکی از سنباده کاری پرهزینه است.
منجر به بهره وری/ تزریق پایین می شود. بنابراین، اگر مدیریت شن و ماسه و مدلسازی زودهنگام قبل از تکمیل چاه اجرا شود، همیشه منفعت هزینه‌ای دارد.
تولید شن و ماسه در صورتی صورت می گیرد که مواد اطراف حفره جدا شده باشند و علاوه بر این،
عملکرد چاه نیروی تراوش کافی برای حذف دانه های ماسه ایجاد می کند. این پدیده پیچیده ای است.
به پارامترهای مختلفی مانند توزیع تنش در اطراف چاه، خواص سنگ و سیالات موجود در مخزن و نوع تکمیل بستگی دارد.
بنابراین گرفتن تمامی عوامل و مکانیسم ها در مدل های عددی مشکل بوده و مدل ها دارای محدودیت های زیادی هستند.
2. تکنیک های رایج مورد استفاده در تصمیم گیری های مدیریت شن و ماسه
تعدادی از رویکردها برای پیش‌بینی یا کمک به درک مشکل تولید ماسه با استفاده از آزمایش مدل فیزیکی،
روابط تحلیلی و تجربی و مدل‌های عددی توسعه داده شده‌اند. آزمایشات معمول آزمایشگاهی فقط می توانند شروع تولید ماسه را پیش بینی کنند.
مدل فیزیکی پیچیده تر می تواند تولید ماسه حجمی را پیش بینی کند. آنها همچنین زمان بر و گران هستند.
علاوه بر این، به دلیل اندازه های کوچک مجموعه آزمایشگاهی، نتایج معمولاً تحت تأثیر اثرات مرزی قرار می گیرند.
مدل های تحلیلی سریع و آسان برای استفاده هستند اما فقط برای پیش بینی شروع تولید ماسه مناسب هستند.
محدودیت هایی دارند. اکثر آنها فقط برای گرفتن یک مکانیسم منفرد از سنباده زدن و تحت شرایط هندسی و مرزی ساده شده معتبر هستند.
معمولاً در مسائل پیچیده مقیاس میدان صدق نمی کنند. مدل های عددی تا حد زیادی قوی ترین ابزار برای پیش بینی تولید شن و ماسه هستند.
آنها را می توان با همبستگی های تحلیلی برای به دست آوردن نتایج کارآمدتر ترکیب کرد.
نتایج تجربی نیز برای کالیبراسیون یا اعتبارسنجی یک مدل عددی استفاده می‌شوند. با این حال،
مدل های عددی محدودیت های خاص خود را دارند و تلاش های گسترده ای برای بهبود آنها انجام شده است.
2.1. مدل های عددی بر اساس رویکرد پیوسته
توسعه مدل‌های پیوسته مبتنی بر مفروضات مختلف، قوانین سازنده، معیارهای سنباده‌زنی،
روش‌های عددی با سطوح مختلف پیچیدگی برای ثبت رفتار فیزیکی مواد است.
جدول 1 اکثر مدل های سنباده زنی مبتنی بر پیوسته را خلاصه می کند.
در ابتدا بسیاری از محققان ابتدا شروع تولید ماسه یا شروع شکست مکانیکی را محاسبه کردند.
اینکه واردولاکیس و همکارانش نظریه اساسی برای فرسایش هیدرودینامیکی،
ماسه سنگ را ارائه کرد که مبتنی بر نظریه فیلتراسیون بدون حل معادله تعادل است.
2.1.1. مدل‌های سازنده مورد استفاده در رویکردهای پیوسته
شکست و/یا تخریب سنگ به عنوان پیش نیاز سنباده کاری پذیرفته شده است. شکست مواد ژئومتریال معمولاً با تشکیل نوارهای برشی همراه است.
نواحی باریک تغییر شکل پلاستیک متمرکز هستند. این پدیده که به “محلی سازی تغییر شکل” یا به سادگی “محلی سازی” معروف است،
یکی از پارامترهای کلیدی در مدل های پیش بینی سنباده است. جزئیات بیشتر در مورد این مفهوم را می توان در Sulem et al نوری و همکاران. و جعفرپور و همکاران.
2.1.2. معیارهای سنباده کاری مورد استفاده در رویکردهای پیوسته
مکانیسم های مختلفی به عنوان مسئول تولید شن و ماسه شناخته می شوند. آنها عمدتا بر اساس شکست برشی و کششی،
گرادیان فشار بحرانی، فشار کشش بحرانی، کرنش بحرانی پلاستیک و معیارهای فرسایش هستند.
جدول 2 معیارهای اصلی سنباده کاری مورد استفاده در مدل های شنی را خلاصه می کند.
هنگامی که حداقل تنش اصلی موثر برابر با استحکام کششی سنگ سازند باشد، شکست کششی ممکن است رخ دهد.
این حالت شکست مسئول تخریب سنگ است. این می تواند به عنوان یک مکانیسم تخریب مستقل یا در ترکیب با شکست برشی رخ دهد.
همچنین اعتقاد بر این است که حالت کششی مکانیسم مسئول حذف ذرات پس از تخریب در طول تولید است.
در این مورد، شکست کششی مربوط به نیروهای تراوش بر روی ذرات ماسه تخریب شده است.
2.1.3. مراحل درگیر در رویکردهای پیوسته
مدل ها را می توان بر اساس فازهای درگیر به دو گروه دسته بندی کرد. در گروه اول، معادله موازنه جرم فقط برای فازهای سیال و جامد حل می شود،
در حالی که گروه دوم، جامدات سیال را به عنوان یک فاز می شناسند و غلظت جامد را در سیال حل می کنند. جامدات سیال شده،
ذرات معلقی هستند که با سیال حرکت می کنند. هر ذره سست دیگری که در داخل فضای خالی به دام افتاده باشد به عنوان بخشی،
از فاز جامد دیده می شود. با این حال، این مدل ها از ویسکوزیته ثابت برای دوغاب استفاده می کنند.
در طول زمان قابل توجه است که تحقیقات تمایل به استفاده از رویکرد ساده‌تر (فازهای جامد و سیال) و تلفیق معادلات با مدل فرسایش دارند.
این عمدتاً به این دلیل است که توافق خوبی بین مدل و مشاهدات میدانی هنگام ترکیب با یک معیار سنباده کاری مناسب به دست آمد.
2.1.4. درمان عناصر سمباده شده
استراتژی های مختلفی برای برخورد با عناصری که معیارهای سنباده کاری را برآورده می کنند، استفاده شده است.
اولین مورد حذف چنین عناصری از مدل با فرض رشد حفره ها و کرمچاله ها در نتیجه سنباده زدن است.
به نظر می‌رسد این روش در سنگ‌های قوی‌تر که حفره‌های پایدار در آنها شکل می‌گیرد، مناسب باشد.
روش دیگر این است که عنصر را در جای خود نگه دارید اما خواص مواد را به مقادیر باقیمانده تغییر دهید.
ما معتقدیم که حفره های پایدار نمی توانند در ماسه سنگ ضعیف ایجاد شوند.
فضا توسط مواد پرکننده یا ذرات ماسه بدون چسبندگی اشغال شده است.
در این رویکرد، خواص ماسه سنگ به خواص ماسه بدون چسبندگی تخریب شده تغییر می‌یابد.
تغییر ویژگی نیز باید در مدل های فرسایش به عنوان تابعی از افزایش تخلخل در عناصر فرساینده اعمال شود.
2.1.5. طراحی مدل
تکمیل سوراخ باز اغلب با مدل های متقارن محوری درمان می شود. به بیان دقیق، این تنها زمانی درست است که تنش های افقی برابر باشند.
با این حال، اغلب اوقات، اگر نه همیشه، تنش های افقی اصلی، و، برابر نیستند. در چنین مواردی یک مدل کرنش صفحه می تواند انتخاب مناسبی برای تحلیل دو بعدی باشد.
کرنش صفحه ممکن است همیشه یک فرض مناسب نباشد زیرا تغییر شکل عمودی ممکن است لزوماً ناچیز نباشد.
Papanastasiou و Zervos پیشنهاد کردند که کرنش صفحه تعمیم یافته می تواند یک فرض مناسب در مدل سازی چاه های عمودی و شیبدار باشد.
2.1.6. سایر عوامل برای مدل های عددی مبتنی بر پیوسته
تولید شن و ماسه یک مشکل مرز متحرک است. همانطور که ماسه تولید می شود،
یک منطقه ماسه ای در اطراف سوراخ ها تشکیل می شود.
مش بندی تطبیقی می تواند در فرآیندهایی که هندسه یا مرز در حال تغییر است بسیار مفید باشد.
با این حال، تنها دو کاربرد از مش بندی تطبیقی در ادبیات وجود دارد.
مدل‌های فعلی قادر به پیش‌بینی پل زدن شن و ریزه‌ها در سنگ نیستند.
ذرات شن و ماسه می توانند در حفره سوراخ جمع شوند و یک موجودیت پایدار به نام پل ماسه را تشکیل دهند.
به عنوان یک فیلتر عمل کنند که ممکن است تا زمانی که سرعت جریان ثابت بماند، تولید بیشتر ماسه را کاهش دهد.
نظریه مدلسازی رسوب ماسه توسط واردولاکیس بررسی مدل های پیش بینی تولید شن و ماسه همکاران ارائه شد.
اما تنها در یک مدل با استفاده از رویکرد مشابه اما نه دقیقاً یکسان استفاده شده است.
یی بخشی از ماسه تخریب شده را در محیط متخلخل رسوب کرده است. بخش دشوار در مورد مدلسازی رسوب ماسه،
کالیبراسیون تخلخل بحرانی یا غلظت بحرانی ماسه است که پس از آن رسوب ماسه آغاز می‌شود.
2.2. مدل های عددی بر اساس رویکرد ناپیوسته
تولید شن و ماسه فرآیندی پیوسته و پویا است که در مقیاس میکروسکوپی رخ می دهد و سنگ به یک طبیعت ناپیوسته تبدیل می شود.
همانطور که قبلا ذکر شد، رویکردهای متداول متداول نمی توانند پدیده های ناپیوسته محلی را ضبط کنند.
بنابراین، رویکرد ناپیوسته نویدبخش شبیه‌سازی پدیده‌هایی مانند جدا شدن ذرات منفرد از ماتریس سنگ است.