بررسي ژئومکانيکي و مدلسازي شکست ذخيره سازي گاز Co2 در يكي از مخازن زير زميني ايران

دانشگاه تربيت مدرس دانشکده فني و مهندسي بررسي ژئومکانيکي و مدلسازي شکست ذخيره سازي گاز Co2 در يكي از مخازن زير زميني ايران مهدي زارع استاد راهنما: دکتر عبدالهادي قزوينيان اساتيد مشاور: مهندس منصور سروش - دکتر شريف شاه بيک زمستان 1388

خلاصه مطالب مقدمه اهمیت ذخیره سازی گاز – زمین شناسی مخزن تنش سنجی در مخازن عمیق اندازه گیری تنش های ثقلی و مقایسه با روشهای تئوری تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گازی به روشهای تحلیلی روش کولومب و روش موهر-کولومب تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گازی به روشهای شبه تحلیلی تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی مقایسه و نتیجه گیری

مقدمه چرا ذخیره سازی؟ کاهش گازهای گلخانه ای موجود در اتمسفر افزایش بازیابی مخازن روش های مختلف ذخیره سازی: ذخیره سازی در مخازن تهی شده زیر زمینی ذخیره سازی در لایه های زغال ذخیره سازی در سفره های آب زیرزمینی ذخیره سازی به صورت تزریق در اقیانوس

مقدمه مشکلات ذخیره سازی گاز Co2 فشار گاز تزریق شده به اندازه کافی زیاد باشد حجم قابل توجهی گاز ذخیره گردد. فشار گاز تزریق شده بیش از اندازه زیاد نباشد درزه ها و گسل های موجود پایدار باشند. درزه و شکاف جدید ایجاد نگردد. نقش علم مکانیک سنگ در فرایند ذخیره سازی گاز Co2 تعیین فشار بهینه ذخیره سازی گاز دی اکسید کربن از طریق مطالعه شرایط زمین شناسی مخزن، مطالعه درزه ها و ناپیوستگی ها، تعیین وضعیت تنش در مخزن، شناخت پارامترهای ژئومکانیکی سنگ مخزن و نا پیوستگی های آن.

زمين شناسی مخزن مخزن گازیM و زمین شناسی آن میدانM در حوضه مرکزی ایران قرار گرفته است. این میدان دارای گازدهی با فشار بالای غیر طبیعی از لایه های آهکی- رسی مطابق الیگومیوسن است. سازند q مخزن اصلی را تشکیل می دهد و تجمع گاز در سری های بالایی سازند رخ می دهد که از سنگ آهک رسی تا مارنی ساخته شده است (بخش E)و پوش سنگ اصلی مخزن از سری های سنگ تبخیری سازند U تشکیل شده است. ساختار این مخزن از تاقدیسی به طول 25 کیلومتر و پهنای حدود 5 کیلومتر و در امتداد شمال غربی-جنوب شرقی تشکیل شده است

زمين شناسی مخزن شکستگی های مخزن گازی M اطلاعات شكستگی مخزن گازیM مربوط به مطالعه مغزه های چاه شماره 8 می باشد. حدود 164/8 متر مغزه گیری انجام شده: - حداكثر طول شكستگی ها 1 متر بوده و به صورت مستقیم یا خط خمیده دیده می شوند. - شكستگی ها می توانند باز، پر شده با سیمان كلسیت ثانوی و یا نیمه باز باشند. - میزان بازشدگی آنها 0/2تا 20 میلی متر برآورد شده است. - درزه و شكاف ها در جهات گوناگون از 5 درجه تا 350 درجه اندازه گیری شده اند و دارای شیب بسیار متفاوتی می باشند به طوری كه 66 % آنها دارای شیب 80 تا 90 درجه، 20% بین 70 تا 80درجه و 14% كمتر از 40 درجه شیب دارند.

تنش سنجی در مخازن عمیق اندازه گیری تنش های برجا تنش قائم: برای بدست آوردن تنش قائم می توان از نمودار چگالی استفاده نمود:

تنش سنجی در مخازن عمیق اندازه گیری تنش های برجا نتايج اندازه گيريهاي تنش برجا توسط هوك و براون تنش قائم محاسبه شده: تنش قائم تخمین زده شده به روش هوک و براون:

تنش سنجی در مخازن عمیق اندازه گیری تنش های برجا تنش افقی: نسبت تنشهاي افقي به قائم نظریه هیم (Heim's rule): : براي مناطق نزديك سطح زمين : براي مناطق با عمق متوسط (حالت الاستيسيته يا رفتار الاستيك) : براي مناطق عميق (حالت خميري-ليتوالاستيك)

تنش سنجی در مخازن عمیق اندازه گیری تنش های برجا تنش افقی: تغییر مقدار تنش با عمق در رژیم نرمال ارائه شده توسط Zoback و سایرین (2003)

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تاثیر تغییرات فشار حفره ای بر تمایل گسل به لغزش تحلیل لغزش گسل با استفاده از اندازه تنش های اصلی و جهت آنها نسبت به امتداد گسل های موجود و همچنین فشار سیال درون گسل صورت می پذیرد. اصلی ترین رابطه ای که در این زمینه استفاده می گردد از رابطه تنش های اصلی موثر و معار کولومب بدست می آید.

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تاثیر تغییرات فشار حفره ای بر تمایل گسل به لغزش تمایل گسل به لغزش در امتداد گسل توسط تنش های برشی (τ)، از طریق تنش قائم موثر (σn-Pf)که باعث فشارش دو طرف گسل به یکدیگر می شود مقابله می گردد. در یک گسل بدون چسبندگی، لغزش زمانی اتفاق می افتد که نسبت مقادیر فوق به ضریب اصطکاک بین سطوح گسل برسد: ضریب اصطکاک ایستایی، µ، پارامتری کلیدی برای تخمین پتانسیل لغزش یک گسل می باشد. مشاهدات تجربی در محل نشان داده اند که دامنه µ بین 0/6 تا 0/85 متغیر است. همچنین برای اکثر شکستگی های موجود اندازه گیری شده میزان 0/6= µ حد پایین ضریب اصطکاک ایستایی تعیین شده است. بنابراین استفاده از مقدار 0/6 برای µ در رابطه فوق معمولا تخمینی محافظه کارانه از ماکزیمم فشار ذخیره سازی گاز دی اکسید کربن می دهد.

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تاثیر تغییرات فشار حفره ای بر تمایل گسل به لغزش تاثیر افزایش فشار حفره ای بر پایداری گسل در دایره موهر

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل پایداری گسل در مخزن گازی M در اثر تزریق گاز Co2 به مخزن تنش های برشی و نرمالی که بر سطح گسل اثر می کنند در دو بعد از روابط زیر بدست می آیند:

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل پایداری گسل در مخزن گازی M در اثر تزریق گاز Co2 به مخزن ماکزیمم فشار تزریق قابل تحمل و یا فشار بحرانی Pc، از رابطه زیر به دست می آید: محافظه کارانه ترین حالت تحلیل زمانی است که فرض شود گسل در هر امتدادی از 0 تا 90 درجه ممکن است موجود باشد، بنابر این در این حالت نمودار فشار بحرانی حفره ای بر حسب زاویه گسل به صورت روبرو خواهد بود.

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل فعالیت مجدد گسل (fault re-activation analysis) توسط معیار موهر- کلمب چنانچه نمونه سنگی دارای صفحه ضعفی (گسل) با زاویهφ نسبت به امتداد تنش اصلی باشد، معیار گسیختگی برای صفحه ضعف به صورت زیر خواهد بود:

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل فعالیت مجدد گسل (fault re-activation analysis) توسط معیار موهر- کلمب تنش های موثر بر اساس تنش های برجا، فشار اولیه حفره ای مخزن و تغییرات فشار مخزن به صورت زیر بیان شود: تغییر تنش افقی القایی ناشی از تغییرات فشار حفره ای در شرایط مرزهای جانبی محدود مخزن و با فرض شرایط ایزوتروپ و الاستیک از رابطه زیر بدست می آید:

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل فعالیت مجدد گسل (fault re-activation analysis) توسط معیار موهر- کلمب با بکار گیری روابط فوق در مخزن گازیM و با فرضα=1 و =0.29𝝂 خواهیم داشت: با در دست داشتن مقادیر تنشهای افقی و قائم برجا، بدست آمده از بخش تنش سنجی در عمق مورد نظر، و با فرض اینکه مخزن گاز کاملا تهی شده باشد یعنی p0=0 ، و جایگذاری در روابط ذکر شده خواهیم داشت: )µ=0.6(

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل فعالیت مجدد گسل (fault re-activation analysis) توسط معیار موهر- کلمب با جایگذاری مقادیر فوق در رابطه اصلی: خواهیم داشت: اگر تغییرات تنش های اصلی موثر در محل اندازه گیری شود، می توان حدس زد که حالت تنش به سمت گسیختگی میل می کند یا از آن دور می شود. این مطلب در شکل زیر نشان داده شده است.

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تمایل گسل به گسیختگی برشی در نتیجه اندازه گیری تغییرات تنش های موثر و در حالت

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز تحلیل فعالیت مجدد گسل (fault re-activation analysis) توسط معیار موهر- کلمب اگر زاویهφ را در روابط قبل 10 درجه قرار دهیم، تغییرات فشار حفره ای ماکزیمم در این صورت با استفاده از رابطه فوق چنین بدست می آید:

تحلیل ژئومکانیکی فعالیت گسل در مخازن گاز بنابراین مشاهده می گردد که طبق این معیار نیز تغییر زاویه بین تنش اصلی ماکزیمم و امتداد نا پیوستگی به اندازه 20 درجه باعث افزایش حدود سه برابری قابلیت تزریق گاز به درون مخزن می گردد. این معیار نسبت به معیار کولمب حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات زاویه فوق دارد و علت این امر این است که در این معیار با افزایش فشار حفره ای به اندازه کل تغییر فشار از تنش افقی کم نمی گردد بلکه کسری از تنش افقی کم می گردد.

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن تعيين تنش موثر تغییرات فشار حفره ای در اثر برداشت و یا تزریق گاز به مخزن موجب ایجاد تغییراتی در تنش موثر می گردد. تغییرات تنش موثر σ’ij∆، با تغییرات فشار حفره ای ∆P، و تغییرات تنش نهایی σij∆، به شکل زیر در ارتباط می باشد: در این بخش از پارامترهای جدیدی به نام نسبت نرمالایز شده تنش اصلی (Normalized Stress Arching Ratio) استفاده می گردد. این پارامترها به شکل زیر تعریف می شوند:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن تعيين تنش موثر با فرض اینکه نسبت تنش های نرمالیزه شده اصلی برای یک مخزن محاسبه گردیده است، از ترکیب روابط اخیر برای محاسبه تغییرات تنش های اصلی به شکل زیر میتوان استفاده نمود:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن تخمین فعالیت مجدد گسل تغییرات تنش موثر القایی افقی (Δσ’H) و عمودی (Δσ’V)در مخزن به صورت زیر می باشد: معیار تنش گسیختگی کولمب (CFS)به صورت زیر می باشد: یک گسل زمانی فعال می گردد که CFS به صفر یا بیش از آن برسد.

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن تخمین فعالیت مجدد گسل تغییرات معیار تنش گسیختگی کولمب از رابطه زیر محاسبه می گردد: طبق این معیار زمانی کهΔCFS مثبت باشد به این معنا است که تمایل گسل برای لغزش افزایش می یابد.

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن تخمین فعالیت مجدد گسل مورا (Mura) نشان داد که هنگامی که عمق مخزن به اندازه کافی زیاد باشد، پس از کمی تغییر در روابط تنش های انبساطی، در مخازن سیلندری شکل بیضوی، نسبت تنش های نرمالایز شده اصلی از روابط زیر بدست می آید: e نسبت طول به عرض مخزن (reservoir aspect ratio)، از رابطه زیر بدست می آید:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن بکار گیری روش شبه تحلیلی در مخزن گازی M طول این مخزن در حدود 25 کیلومتر و عرض تقریبی (2a) 5 کیلومتر و ضخامت آن (T) به طور میانگین در حدود 800 متر می باشد. پس:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن بکار گیری روش شبه تحلیلی در مخزن گازی M حال با دانستن نسبت تنش های نرمالایز شده اصلی، تغییرات تنش موثر در مخزن را می توان به صورت زیر بدست آورد: بنابراین با در دست داشتن تغییرات تنش افقی و قائم (که فرض می گردد تنش های اصلی می باشند)، می توان تنش برشی و نرمال وارد بر صفحه گسل را پس از این تغییر فشار چنین بدست آورد:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن بکار گیری روش شبه تحلیلی در مخزن گازی M با جایگذاری مقادیر بدست آمده در روابط بالا چنین نتیجه می شود: با مساوی صفر قرار دادن CFS و با فرض 0/6= µ، و با قرار دادن مقادیر فوق در رابطه تنش گسیختگی کولومب و حل آن بر حسب P𝜟 ، P𝜟 چنین بدست می آید:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن بکار گیری روش شبه تحلیلی در مخزن گازی M در حالتی که زاویه گسیختگی با تنش اصلی ماکزیمم (تنش قائم) برابر 30=θ درجه در نظر گرفته شود(حالت محافظه کارانه)، حداکثر تغییر فشار برابر خواهد بود با :

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن رابطه پیشنهادی جهت تعیین حداکثر فشار گاز قابل تزریق به مخزن

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن رابطه پیشنهادی جهت تعیین حداکثر فشار گاز قابل تزریق به مخزن تنش های نرمال و برشی وارد به صفحه گسل نیز در نتیجه افزایش فشار P𝜟 حاصل از تزریق گاز به مخزن، از روابط زیر بدست می آیند:

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن رابطه پیشنهادی جهت تعیین حداکثر فشار گاز قابل تزریق به مخزن با جایگذاری و حل معادلات فوق خواهیم داشت: بنابراین از طریق رابطه فوق به راحتی می توان تخمینی از حداکثر فشار گاز قابل تزریق به مخزن (بر حسب مگاپاسکال) با دانستن عمق (برحسب متر)، نسبت پواسون، ضریب اصطکاک صفحه گسیختگی، فشار اولیه مخزن (مگاپاسکال) و زاویه بین امتداد گسل با تنش اصلی ماکزیمم بدست آورد.

روش شبه تحلیلی برای محاسبه تغییرات تنش و تحلیل فعالیت مجدد گسل به واسطه تزریق گاز به داخل مخزن رابطه پیشنهادی جهت تعیین حداکثر فشار گاز قابل تزریق به مخزن در بسیاری از موارد بدست آوردن پارامترهای فوق امکانپذیر نیست یا بسیار هزینه بر و زمانبر می باشد. بنابراین از تقریبهای محافظه کارانه مقدار 0/6 برای ضریب اصطکاک صفحه گسیختگی و 30 درجه برای زاویه ناپیوستگی با تنش قائم در نظر گرفته می شود. با اعمال تغییرات ذکر شده رابطه فوق به شکل زیر خلاصه می گردد: بنابراین این رابطه به سادگی با در دست داشتن اطلاعات اولیه مخزن شامل عمق و فشار اولیه و نسبت پواسون قابل استفاده خواهد بود و تخمین اولیه ای از حد فشار نهایی قابل تزریق به مخزن ارائه می دهد.

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی چرا UDEC؟ اعمال ساختارهای مختلف ناپیوستگی (لایه بندی، درزه، گسل و... ) و نسبت دادن مدلهای رفتاری مختلف به هر یک از آنها. نسبت دادن مدلهای رفتاری مختلف سنگ بکر به بلوک های مجزا در نظر گرفتن مواد مختلف با خواص متفاوت در مدل مدل کردن سیالات و جریان آن از میان درزه ها قابلیت تحلیل آسانتر توسط خروجی های متنوع برنامه

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی بررسی پایداری گسل در مخزن گازیM با استفاده از نرم افزار UDEC بلوک اولیه مخزن با ابعاد 500*5000 متر و ناپیوستگی با زاویه 30 درجه نسبت به قائم (مقیاس 10/1 )

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی بررسی پایداری گسل در مخزن گازیM با استفاده از نرم افزار UDEC داده های ورودی به نرم افزار شامل مشخصات اولیه سنگ مخزن، ناپیوستگی و سیال:

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نتایج حاصل از بررسی اثر فشار حفره ای بر پایداری گسل در نرم افزار UDEC

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نمودار ارتباط بین فشار حفره ای در مخزن با نسبت برش

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نمودار ارتباط بین فشار حفره ای در مخزن با جابجایی قائم سطح گسل

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نمودار ارتباط بین فشار حفره ای در مخزن با ماکزیمم جابجایی برشی سطح گسل

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نمودار ارتباط بین فشار حفره ای در مخزن با تنش نرمال (عمودی) سطح گسل

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی نمودار ارتباط بین فشار حفره ای در مخزن با تنش برشی سطح گسل

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی تاثیر امتداد ناپیوستگی در پایداری گسل به روش عددی ابتدا در نرم افزارUDEC مدلی همانند بخش قبل و با در نظر گرفتن گسلی با امتداد 10 درجه نسبت به تنش اصلی ماکزیمم، در نظر گرفته می شود و فشار گاز در مخزن مرحله به مرحله افزایش می یابد تا زمانی که فشار حفره ای باعث ناپایداری گسل گردد. سپس این فشار به عنوان ماکزیمم فشار حفره ای قابل تحمل برای آن امتداد ثبت می گردد. سپس در هر مرحله مدل جدیدی ساخته می شود به طوری که امتداد ناپیوستگی 10 درجه افزایش یابد و مراحل فوق تکرار می گردد تا حداکثر فشار قابل تحمل مخزن برای آن امتداد بدست آید. نتایج حاصل از اجرای مدلهای فوق در نرم افزار UDEC در جدول زیر نشان داده شده است:

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی تاثیر امتداد ناپیوستگی در پایداری گسل به روش عددی

تحلیل فعالیت گسل در مخزن گاز به واسطه تزریق گاز به مخزن به روش عددی بررسی تاثیر تنش افقی مینیمم بر پایداری گسل هنگام تزریق گاز به مخزن به روش عددی

بررسي ژئومکانيکي و مدلسازي شکست ذخيره سازي گاز Co2 در يكي از مخازن زير زميني ايران

بررسي ژئومکانيکي و مدلسازي شکست ذخيره سازي گاز Co2 در يكي از مخازن زير زميني ايران

Presentation Transcript