• Home
  • Selection of Appropriate Zones for Hydraulic Fracturing Operations in the Ilam and Sarvak Formations of an Oil Well in the Southwestern Oil Fields of Iran

Share To

Article Url


Manuscript ID : geology-51155 Visit : 109 Page: 23 - 37

Article Type: Original Research

Selection of Appropriate Zones for Hydraulic Fracturing Operations in the Ilam and Sarvak Formations of an Oil Well in the Southwestern Oil Fields of Iran

Subject Areas :

Mehran Kalhori 1 * , S. Gharechelloo 2 , S. Yasami Khiabani 3

1 -
2 -
3 -

Received: 2025-04-09 Accepted : 2025-07-07 Published : 2025-08-11

Keywords:

Abstract :

Hydraulic fracturing is one of the most widely used well stimulation methods in oil and gas reservoirs worldwide. Economically, selecting the appropriate zone for hydraulic fracturing operations is highly critical. Geomechanical parameters play a significant and influential role in identifying candidate zones. Among the most important geomechanical parameters are the magnitude and orientation of the minimum horizontal stress and the rock mechanical properties of the formation. In this study, the process of zonation and selecting the optimal zone is investigated using stress zone identification based on minimum horizontal stress, rock mechanical zonation based on rock mechanical parameters, and integrating these results with acceptable thresholds for porosity and permeability. First, rock mechanical parameters such as Young’s modulus, Poisson’s ratio, Uniaxial Compressive Strength, fracture toughness, and rock brittleness index were extracted from well logs using various empirical correlations. Hierarchical clustering, as an unsupervised machine learning method, was then applied to these data, resulting in six clusters. Based on these clusters, the reservoir interval was divided into 13 zones labeled A to M. By calculating the principal stresses and pore pressure, the minimum horizontal stress was used to determine stress zones bounded by stress barriers, identifying six stress zones within the studied interval in the well. Finally, by analyzing and integrating the results of rock mechanical zonation, stress zonation, and reservoir parameters (porosity and permeability), appropriate zones for hydraulic fracturing were selected. Stress zones 6, 3, and 5 were identified as the most suitable zones for hydraulic fracturing operations.

References:

- شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، 1393. انجام آزمایش نشت و نشت گسترده در چاه xx ، ایران، گزارش شماره پ-7991.
شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، 1389. تفسیر نمودار تصویری، گزارش شماره پ-6756 .
Full-Text:
ARMS5_Template

انتخاب زون مناسب برای عملیات شکافت هیدرولیکی در سازندهای ایلام و سروک در یکی از چاه­های نفتی میادین جنوب غربی ایران

مهران کلهری (1و*)، سجاد قره چلو2، سپیده یاسمی خیابانی1

1.       کارشناس ارشد پژوهشی گروه زمین‌شناسی نفت پژوهشکده علوم پایه کاربردی

2.       استادیار گروه زمین‌شناسی نفت، پژوهشکده علوم پایه کاربردی

3.       مربی پژوهش، گروه زمین‌شناسی نفت، پژوهشکده علوم پایه کاربردی

 

تاریخ دریافت: 20/01/1404

تاریخ پذیرش: 16/04/1404

 

چکیده

شکاف هیدرولیکی یکی از روش­های انگیزش چاه است که به‌صورت گسترده در مخازن نفتی و گازی دنیا در حال انجام می­باشد. انتخاب زون مناسب برای عملیات شکاف هیدرولیکی از نظر اقتصادی بسیار کلیدی است. پارامترهای ژئومکانیکی در انتخاب زون‌های کاندید بسیار مؤثر و پر اهمیت می‌باشند. از جمله مهم‌ترین پارامترهای ژئومکانیکی می‌توان به اندازه و جهت‌یابی تنش افقی مینیمم و خواص مکانیک سنگی سازند اشاره کرد. در این مطالعه، چگونگی زون بندی و انتخاب زون مناسب، با استفاده از تعیین زون‌های تنشی از تنش افقی مینیمم، تعیین زون‌های مکانیک سنگی با استفاده از پارامترهای مکانیک سنگی و با تلفیق این نتایج با حد برش‎های مجاز برای تخلخل و تروایی مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا، پارامترهای مکانیک سنگی شامل مدول یانگ، نسبت پواسون، مقاومت فشاری تک محوری، چقرمگی شکست، و اندیس شکنندگی سنگ با استفاده از لاگ­های چاه و با به‌کارگیری روابط تجربی مختلف استخراج شده­اند. با اعمال روش خوشه‌بندی سلسله مراتبی به‌عنوان یکی از روش­های یادگیری بدون نظارت یادگیری ماشین بر روی این داده­ها، شش خوشه تعیین شده­اند که با استفاده از این خوشه­ها بازه مخزنی به 13 زونA  تا M تقسیم‌بندی شده است. با محاسبه مقادیر تنش­های اصلی و فشار منفذی، از تنش افقی مینیمم برای تعیین زون­های تنشی که با موانع تنشی محدود شده­اند استفاده شده است  که برای بازه مورد مطالعه در چاه شش زون تنشی مشخص شده است. با بررسی و تلفیق نتایج زون بندی مکانیک سنگی، زون­های تنشی و پارامترهای مخزنی تخلخل و تروایی به انتخاب زون­های مناسب برای شکاف هیدرولیکی پرداخته شده است که زون‌های تنشی شش، سه، و پنج به‌عنوان مناسب‌ترین زون‎‌ها انتخاب شده‌اند.

واژه‌های کلیدی: شکاف هیدرولیکی، خوشه‌بندی سلسله مراتبی، زون­بندی مکانیک سنگی، موانع تنشی، زون کاندید شکاف هیدرولیکی

 

[1] *نویسنده مرتبط: mehrankalhori@gmail.com

مقدمه

شکاف هیدرولیکی یکی از روش­های مهم انگیزش چاه به‌منظور تولید و یا افزایش تولید از سازندهای هیدروکربنی با تراوایی کم یا چاه­های دچار افت تولید می­باشد. این فرآیند شامل تزریق سیال­های گوناگون به درون سازند با فشار بالا برای ایجاد شکستگی کششی در سنگ و گسترش این شکستگی در سازند می­باشد (Economides and Nolte, 1989، Hibbeler, and Rae, 2005، و Legarth et al., 2005).  تعیین فواصل مناسب برای شکاف هیدرولیکی شامل ارزیابی خواص سنگ، با شناسایی بهترین فواصل عمقی برای انجام شکاف هیدرولیکی است. اگرچه پارامترهای بسیاری در شناسایی زون­های مناسب برای انجام شکاف هیدرولیکی دخیل هستند، اما مهم­ترین این پارامترها، شامل پارامترهای مکانیک سنگی، اندازه و جهت‌یابی تنش­ها می‌باشند(Wright et al., 1999; Willis et al., ,2005; -        Warpinski  et al., 1982; Jahandideh et al., 2016).

اهمیت این تحقیق در این است که با انتخاب دقیق زون‌های مناسب برای شکاف هیدرولیکی، می‌توان بهره‌وری چاه‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش داد و از افت تولید جلوگیری کرد.

در تحقیقات قبلی، روش‌های مختلفی برای شبیه‌سازی و شناسایی مناطق مناسب برای شکاف هیدرولیکی ارائه شده است. این روش‌ها شامل مدل‌های تحلیلی، شبیه‌سازی‌های عددی و استفاده از داده‌های میدانی هستند (Warpinski  et al., 1982; Jahandideh et al., 2016). به‌تازگی، استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تحلیل و شناسایی زون‌های بهینه برای شکاف هیدرولیکی به‌طور گسترده‌ای مطرح شده است و نتایج نشان می‌دهند که این روش‌ها می‌توانند دقت بالاتری در پیش‌بینی مناطق مناسب ارائه دهند (Jahandideh et al., 2016).

هدف از این تحقیق، استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین برای شناسایی دقیق‌تر زون‌های بهینه شکاف هیدرولیکی در سازندهای با تراوایی کم است. این پژوهش با استفاده از داده‌های تجربی سازندها، به دنبال ارائه یک مدل بهینه برای انتخاب فواصل مناسب شکاف هیدرولیکی می‌باشد.

 

 در صورت استخراج پروفیل پیوسته­ای از مهم­ترین پارامترهای مکانیک سنگی برای هر چاه، می­توان برای آن، زون­های مکانیک سنگی تعیین کرد که هر زون ویژگی­های مکانیک سنگی کم‌وبیش یکنواختی دارد و میزان مقاومت و استحکام هر زون مشخص است. برای تعیین این زون­ها با توجه به خواص مکانیک سنگی آنها می­توان از روش­های مختلفی استفاده کرد که یکی از بهینه­ترین آنها روش یادگیری ماشین است. با تعیین تنش افقی مینیمم به‌عنوان یکی از مهم­ترین پارامترها، و با جمع‌بندی نتایج حاصل از زون بندی مکانیک سنگی می­توان زون­های مناسب برای شکاف هیدرولیکی را تعیین کرد. 

زمین‌شناسی میدان مورد مطالعه

میدان مورد مطالعه در جنوب غربی ایران با روند شمال غربی-جنوب شرقی، به‌موازات رشته کوه زاگرس می‌باشد. مخازن اصلی این میدان شامل سازند آسماری و گروه­های بنگستان و خامی می­باشد. بر اساس گزارش جیمز و وایند (, 1965        James and Wynd) از آلبین تا کامپانین یک چرخه رسوبی از سازندهای کژدمی، سروک، سورگاه و ایلام را می‌توان در زاگرس شناسایی کرد (شکل 1). برخی از زمین­شناسان معتقد هستند اگر سازند کژدمی را از این گروه حذف کنیم، چون سازند سورگاه هم در همه جای حوضه زاگرس وجود ندارد، در این صورت گروه بنگستان شامل دو سازند سروک و ایلام خواهد شد. در چنین حالتی به‌جای عنوان گروه بنگستان از سازند بنگستان که شامل دو سازند سروک (در زیر) و ایلام (در بالا) استفاده می‌شود. در نتیجه گروه بنگستان پس از ناپیوستگی سنومانین-تورنین قابل تقسیم به بنگستان پایینی (بخش سنومانین سروک) و بنگستان میانی (بخش تورنین سروک) و بنگستان بالایی (سازند ایلام) است. 

img0 

شکل1. ستون چینه‌شناسی مقایسه‌ای بین تقسیمات حوضه‌ای زاگرس. گروه بنگستان شامل: سازندهای کژدمی، سروک، سورگاه و ایلام می‌باشد 

سازند ایلام

سازند ایلام با دو رخساره عمیق و کم‌عمق دیده می‌شود. برش الگوی این سازند که نشانگر رخساره عمیق است در بخش شمال باختری کبیرکوه در 12 کیلومتری شهرستان ایلام قرار دارد. در این برش، سازند ایلام شامل 190 متر سنگ‌آهک‌های رسی دانه‌ریز پلاژیک خاکستری رنگ با لایه‌بندی منظم و میان لایه‌های نازک شیل و سن ­سانتونین-کامپانین است. رخساره‌های کم‌عمق سازند ایلام، در نواحی فارس و خوزستان گسترش دارد که شامل سنگ‌آهک‌های قلوه‌ای است که همچنان سن­ سانتونین تا کمپانین دارد. سازند ایلام در میدان مورد مطالعه ضخامتی در حدود  185 متر دارد. این سازند به‌صورت هتروژن بوده و متشکل از رخساره‌های کربناته کم‌عمق تا عمیق شامل، دانه‌های اسکلتی (روزن‌داران پلانکتونیک و بنتیک، جلبک سبز)، دانه‌های غیر اسکلتی (اائید، اینتراکلست و پلوئید) در یک محیط رمپ کربناته کم شیب می‌باشد. از نظر لیتولوژی شامل آهک، آهک دولومیتی و مقادیر جزئی و پراکنده شیل است. سازند ایلام با یک ناپیوستگی قابل توجه بر روی سازند سروک و شیل‌های لافان قرار می‌گیرد.

سازند سروک

در گذشته به این واحد سنگی، سنگ‌آهک‌های هیپوریت دار، سنگ‌آهک‌های رودیست دار که سنگ‌آهک لشتگان گفته می‌شد ولی با مطالعه برش آن در تنگ سروک در کوه بنگستان واقع در شمال بهبهان نام "سروک" جایگزین نام‌های پیشین شد. سازند سروک دو رخساره متفاوت دارد. در محل برش الگو و فارس ساحلی، رخساره‌های کم‌عمق این سازند گسترش دارد. درحالی‌که در ناحیه لرستان، می‌توان رخساره‌های عمیق سازند سروک را دید. سازند سروک در میدان مورد مطالعه در حدود 720 متر ضخامت دارد. مرز زیرین سازند سروک با سازند کژدمی پیوسته تدریجی و مرز بالا آن با ناپیوستگی فرسایشی در زیر شیل لافان قرار می‌گیرد. در این مطالعه ماهیت مرز سازندها اهمیت چندانی ندارد. رخساره‌ها این سازند شامل مادستون میلیولیدی، پکستون پلوئیدی بیوکلاست دار، گرینستون پلوئیدی فرامینیفردار، باندستون رودیستی و فلوتستون-رودستون رودیستی می‌باشد. این رخساره‌ها در یک محیط رمپ داخلی تا رمپ خارجی ته‌نشست پیدا کرده‌اند.

زون‌های مخزنی سازند ایلام و سروک

سازند ایلام به سه زون مخزنی (A, B, C) بخش شده است. البته زون C دارای سه زیر زون می‌باشد. در مخزن ایلام زون A وB دارای آب اشباع‌شدگی بالای 40 درصد بوده اما زون C مقدار آب اشباع‌شدگی کمتر از 20 درصد می‌باشد. همچنین سایر زون‌ها به‌جز زون‌های C1 و C2 تخلخل بسیار پایینی دارند. لذا ازنظر پتروفیزیکی زون C1 مخزن ایلام مناسب‌ترین زون تولیدی می‌باشد. مخزن سروک نیز به شش زون (D, E, F,G, H, I) به همراه تعدادی زیر زون بخش شده است. این مخزن آب اشباع‌شدگی از 30 تا 45 درصدی و تخلخل کمتر از شش درصد دارد، به‌جز زون I2 که تخلخل در حدود 11 درصد و آب اشباع‌شدگی 32 درصدی دارد. لذا زون I2 یکی از مناسب‌ترین زون‌های تولیدی مخزن سروک می‌باشد. اطلاعات جزئی‌تر از زون‌های مختلف مخزن ایلام و سروک در جدول 1 ارائه شده است.

 

 

 

جدول1. میانگین خصوصیات پتروفیزیکی در زون‌های مختلف مخزن ایلام و سروک

 

Porosity (%)

 

Sw (%)

 

Hydrocarbon Column (m)

Thickness

(m)

 

Reservoir Zonation

 

Formation

Effective

Total

4.3

6.6

44.8

0.1

19

A

 

ILAM

2.7

5.3

46.8

0.0056

13.5

B

18.4

18.5

14.4

6.4

41

C1

16.1

16.1

15.6

5.1

38

C2

8.3

11

25

4.1

75

C3

0.7

5.5

27.8

0.032

42

D

 

 

 

 

SARVAK

2.4

6.4

21.3

0.6

107

E1

5.6

9

26.5

3.8

130

E2

2.3

6.1

26.7

0.1

45

F1

1.5

-

-

0

44

F2

3.6

5.6

33.8

0.6

75

G1

6.4

9.2

37.1

1.5

52

G2

2.6

5.5

45.9

0.023

30

H

4.5

6.6

42.6

0.041

32

I1-1

1.7

-

-

0

47

I1-2

11.2

11.3

32.1

5.8

85

I2

 

روش مطالعه

داد­ه­های موجود برای این مطالعه شامل لاگ­های سرعت امواج صوتی برشی و فشاری، تخلخل، چگالی، و گاما و نتیجه چهار نمونه تست مکانیک سنگی مقاومت فشاری تک‌محوره، همچنین داده­های تست چاهRFT  1 و FIT2 می­باشند. در این مطالعه با استفاده از لاگ­های پتروفیزیکی به محاسبه پارامترهای الاستیک مدول یانگ و ضریب پواسون، چقرمگی شکست، مقاومت فشاری تک‌محوره و اندیس شکنندگی سنگ محاسبه خواهند شد. پارامترهای الاستیک دینامیک با استفاده از لاگ­های صوتی، محاسبه خواهد شد و با استفاده از روابط تجربی توسعه داده شده برای شرکت مناطق نفت‌خیز جنوب به مقادیر استاتیک تبدیل شده است. مقادیر مقاومت فشاری تک‌محوره با استفاده از رابطه تجربی توسعه داده شده برای شرکت مناطق نفت‌خیز جنوب محاسبه شده و مقادیر پارامترهای الاستیک و مقاومت فشاری تک‌محوره سنگ تخمین زده شده، با استفاده از نتایج تست­های مکانیک سنگی دقت سنجی شده است. پارامتر چقرمگی شکست با استفاده از یک رابطه تجربی و با به‌کارگیری سرعت موج فشاری محاسبه شد. همچنین برای محاسبه مقاومت کششی سنگ از رابطه تجربی بر اساس تخلخل استفاده شد و از این پارامتر و مقاومت فشاری تک‌محوره  برای محاسبه مقادیر اندیس شکنندگی سنگ نیز استفاده شد. از روش خوشه‌بندی سلسله مراتبی به‌عنوان یکی از روش­های یادگیری ماشین، برای تعیین زون­های مکانیک سنگی استفاده می­شود. لذا با استفاده از روابط و نتایج تست­های چاه مقادیر تنش­های اصلی و فشار منفذی محاسبه شده و از پروفیل تنش افقی مینیمم و زون­های ژئومکانیکی برای تعیین زون­های کاندید استفاده خواهد شد. با مطالعه و بررسی زون­های مکانیک سنگی تعدادی زون انتخاب خواهند شد و با تلفیق نتایج وضعیت تنش افقی مینیمم و موانع تنشی زون­های مناسب­تر انتخاب می‌شوند. در نهایت با استفاده از محدودیت­های لازم از لحاظ پارامترهای مخزنی تخلخل و تولید آب از میان زون­های تعیین شده، زون­های نهایی کاندید معرفی خواهند شد.

استخراج پارامترهای مکانیک سنگی

استخراج پارامترهای مکانیکی سنگ در مطالعات ژئومکانیکی اهمیت زیادی دارد و پایه اصلی ساخت مدل­های ژئومکانیکی می­باشد. مهم­ترین پارامترهای مکانیک سنگی که در مدل­سازی­های ژئومکانیکی مورد استفاده قرار می­گیرد شامل پارامترهای الاستیک سنگ (مدول یانگ و نسبت پواسون)، و مقاومت فشاری تک‌محوری سنگ است. برای مطالعات مربوط به شکاف هیدرولیکی، پارامترهای چقرمگی شکست و اندیس شکنندگی نیز دارای اهمیت هستند. به دلیل کم‌هزینه‌تر بودن و امکان استخراج این پارامترها به‌صورت پیوسته، از لاگ­های چاه برای این منظور استفاده می­شود و از تست­های مکانیک سنگی بر روی نمونه­های حاصل از مغزه می­توان برای صحت سنجی یا افزایش دقت کار استفاده کرد.

مدول­ الاستیسته و نسبت پواسون

متداول­ترین نگارها که جهت تخمین پارامترهای الاستیک سنگ استفاده می‌شوند، شامل نگارهای صوتی و چگالی می‌باشند. با در اختیار داشتن این داده‌ها و استفاده از روابط الاستیک سنگ می‌توان پارامترهای مکانیک سنگی لایه‌های زیرسطحی را به‌صورت دینامیکی و پیوسته محاسبه نمود. مدول الاستیسیته و نسبت پواسون از طریق روابط 1و2 قابل محاسبه هستند (Zoback, M., 2010):

                                                                                                      1

                                                                                      2

 

در این روابط VPو VSبه ترتیب سرعت موج فشاری و برشی برحسب  ft/μs   و چگالی(ρ) برحسب  gr/cm هستند.  این پارامترها سپس از طریق روابط تجربی و داده‌های مغزه به پارامترهای استاتیکی تبدیل می‌شوند. در این مطالعه پارامترهای الاستیک سنگ، شامل مدول یانگ ابتدا با استفاده از نگاره­های چاه، شامل سرعت امواج برشی و فشاری، و چگالی با استفاده از روابط 1و2به‌صورت دینامیکی برآورد شده­اند. سپس با استفاده از رابطه 3 که برای یکی از میادین کربناته در جنوب غربی ایران استخراج شده است، به مقادیر استاتیک تبدیل شده­ است (Fjaer et al. 2008) (شکل 2).

                                                              3

 

همچنین مقادیر مدول یانگ دینامیک با استفاده از رابطه (4) به مقادیر استاتیک تبدیل شده­اند (Fjaer et al. 2008).  

                                                                4

 

img0 

شکل2. مدول یانگ و ضریب پواسون به‌صورت مقادیر دینامیک و استاتیک به همراه نتایج تست­ها

همان‌طور که در شکل قابل مشاهده است مقادیر استاتیک محاسبه شده از روابط تجربی انطباق مناسبی با نتایج تست­های مکانیک سنگی مغزه نشان می­دهد

مقاومت فشاری تک‌محوری سنگ و چقرمگی شکست

مقاومت فشاری تک‌محوری، به‌عنوان بیشترین تنشی که نمونه سنگی تحت تنش محوری بدون محدودیت جانبی، می­تواند تحمل کند، شناخته می­شود. این پارامتر از تست آزمایشگاهی نمونه­های سنگی حاصل از مغزه چاه به دست می­آید. از آنجایی که مغزه­های چاه کمیاب هستند و تست­های آزمایشگاهی گران قیمت می­باشند و همچنین نتایج این تست­های گسسته و به‌صورت نقطه­ای می­باشند بهتر است با استفاده از روابط تجربی این پارامتر برآورد شود. برای برآورد مقاومت فشاری تک‌محوره روابط بسیاری وجود دارد که هرکدام از این روابط مطابق با شرایط سازندهایی که آزمایش روی مغزه آنها انجام شده توسعه داده شده­اند. در این مطالعه از رابطه (5) که برای مخازن نفتی جنوبی ایران توسعه داده شده است، استفاده می­شود (شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، 1393):

                                                                                  5

در این رابطه  مدول یانگ استاتیک برحسب GPa می­باشد. مقادیر محاسبه شده با استفاده از این رابطه و همچنین نتایج تست­های مکانیک سنگی در ترک سوم شکل 2 آورده شده است. مقادیر برآورد شده با استفاده از این رابطه انطباق به نسبت خوبی را نتایج تست­های آزمایشگاهی نشان می­دهد.

1-       چقرمگی شکست3 و اندیس شکنندگی4 سنگ

چقرمگی شکست توانایی مقاومت سنگ در برابر گسترش شکستگی، از شکستگی­های پیشین در سنگ است. مقادیر بالای چقرمگی شکست نشان‌دهنده فشار بیشتر برای گسترش شکستگی در سنگ است و برعکس. در طراحی شکاف هیدرولیکی پارامتر چقرمگی شکست اهمیت بالایی دارد زیرا گسترش شکاف را کنترل می­کند. رابطه زیر برای محاسبه این پارامتر توسعه داده شده است (Jin, X. et al, 2014 (:

                                                                           6

که در این رابطه Vp سرعت موج فشاری در سنگ و KIC چقرمگی شکست برحسب MPa.m1/2 می­باشد.

 

اندیس شکنندگی5 (BI) یک پارامتر حیاتی است که در شکاف هیدرولیکی برای مشخص کردن رژیم تغییر شکل سنگ استفاده می‌شود، که محدوده‌ای از ترد خالص (شکننده) تا شکل‌پذیر (نرم) را پوشش می‌دهد. مدل‌های مختلفی برای تعیین کمیت BI بر اساس ویژگی‌های سنگ مانند کانی‌شناسی، پارامترهای الاستیک یا داده‌های تنش-کرنش توسعه یافته‌اند. هدف این مدل‌ها بهینه‌سازی BI با کنترل شرایط زمین‌شناسی و تزریقی است ( Jin et al., 2014 ،        Huang et al., 2015 ، Meng et al., 2015). برای محاسبه اندیس شکنندگی در این مطالعه از رابطه 7 استفاده شده است:

                                                                                                                       7                            

که در آن UCS مقاومت فشاری تک‌محوری، و  مقاومت کششی سنگ می­باشد.

خوشه‌بندی و تعیین زون­های مکانیک سنگی

خوشه‌بندی سلسله مراتبی روشی برای آنالیز خوشه‌ای است که به دنبال ایجاد سلسله مراتبی از خوشه‌ها است. از آن برای گروه‌بندی اشیاء مشابه استفاده می‌شود، جایی که هر خوشه از خوشه‌های دیگر متمایز است و اشیاء درون هر خوشه به‌طورکلی شبیه به یکدیگر هستند. دو نوع اصلی خوشه‌بندی سلسله مراتبی وجود دارد: تجمیعی و تقسیمی. خوشه‌بندی تجمیعی با در نظر گرفتن هر مشاهده به‌عنوان یک خوشه جداگانه شروع می‌شود و سپس دو خوشه مشابه را به‌طور مکرر ادغام می‌کند تا زمانی که همه خوشه‌ها با هم ادغام شوند. خوشه‌بندی تقسیمی با همه مشاهدات در یک خوشه شروع می‌شود و سپس با حرکت به سمت پایین سلسله مراتب آنها را به‌صورت بازگشتی جدا می‌کند. برای انجام خوشه‌بندی، پس از آماده کردن داده­های لازم، روش خوشه‌بندی سلسله مراتبی برای تعیین خوشه­های بهینه اعمال می­شود. برای این منظور پس از انتخاب داده­های ورودی با استفاده از روش اقلیدوسی فاصله بین زوج داده­ها با همدیگر محاسبه می­شود. در مرحله بعد با استفاده از الگوریتم­های مختلف و فاصله محاسبه شده بین زوج داده­ها در مرحله قبلی، زوج­ها به همدیگر ارتباط داده شدند. در ادامه درخت خوشه­ای برای داده­های مورد مطالعه تهیه می­شود و با استفاده از آن، شماره تعداد خوشه­های بهینه مشخص می­شود و هر دسته داده به یک خوشه با ویژگی­های مشخص اختصاص داده می­شود(Kalhori et al., 2024).

برای تعیین زون­های مکانیک سنگی پارامترهای مقاومت فشاری تک‌محوره، مدول یانگ، چقرمگی شکست، ضریب پواسون و اندیس شکنندگی سنگ به‌عنوان متغیرهای ورودی انتخاب شده است(شکل 4). بر روی این داده­ها روش خوشه‌بندی سلسله مراتبی اعمال شده است و در ادامه درخت خوشه­ایی برای داده­های مورد مطالعه چاه تهیه شده است (شکل3). با استفاده از درخت خوشه­ای، شماره تعداد گونه­های سنگی بهینه مشخص شد. شش خوشه به‌عنوان تعداد خوشه­های بهینه انتخاب شده است. مرحله آخر خوشه‌بندی با تعیین حد برش و انتخاب تعداد خوشه­ها (شش خوشه بهینه در این مطالعه) انجام گرفت. پس از مشخص شدن گونه­های سنگی، با استفاده از رسم گونه­های سنگی در برابر عمق، چگونگی تغییرات بر اساس عمق مشخص می­شود و امکان زون بندی مکانیک سنگی فراهم شد. پس از مشخص شدن زون­های مکانیک سنگی، با بررسی خواص مکانیکی هر زون از لحاظ پارامترهای مکانیک سنگی، زون­های با مقاومت بیشتر و زون­های ضعیف­تر مشخص می­شوند و تصمیم‌گیری برای انتخاب زون مناسب انجام شد.

 

img0 

شکل3. درخت خوشه­ایی برای متغیرهای انتخاب شده به‌عنوان ورودی تعیین گونه­های سنگی در چاه­ مورد مطالعه

img0 

شکل4. رسم دو بعدی تعدادی از متغیرهای ورودی خوشه‌بندی

 

جدول2 مقادیر میانگین برای هر یک از پارامترهای انتخابی در شش خوشه را به تفکیک نشان می­دهد. همان‌طور که از جدول2 مشخص است، کمترین مقاومت سنگ مربوط به خوشه شش و سپس خوشه دو می­باشد که کمترین میزان مدول یانگ و مقاومت فشاری تک‌محوری را دارند و بیشترین مقاومت مربوط به خوشه سه و سپس خوشه یک می­باشد، که بیشترین میزان مدول یانگ و مقاومت فشاری تک‌محوری را دارند.

 

جدول2. پارامترهای مکانیک سنگی استفاده شده در خوشه‌بندی، و میانگین هر پارامتر در خوشه­های مختلف

Name

1

2

3

4

5

6

Color

 

 

 

 

 

 

Poisson Ratio (Static)

 

0.3040

0.2848

0.3229

0.2972

0.3255

0.2842

Young's Modulus (Static)

 

25.56

13.61

25.12

18.87

15.87

8.31

BI

 

5.8580

5.3182

5.6060

5.7351

5.4563

4.7170

KIC

 

1.9793

1.3464

2.1409

1.6652

1.6732

0.9859

UCS

 

57.05

40.34

62.47

47.80

48.27

32.12

 

در شکل 6 گونه­های مکانیکی به همراه پارامترهای مکانیک سنگی استفاده شده، نشان داده شده است. بر اساس این خوشه‌بندی بازه مورد مطالعه به 13 زون بخش شده است. که از A تا M نام‌گذاری  شده­اند. از میان این زون­ها پنج زون B، C، F، J و M از خوشه­های دو و شش تشکیل شده­اند که دارای کمترین شاخص­های مقاومتی سنگ هستند و همچنین همان‌طور که در شکل 6 نشان داده است وجود هیدروکربن در این زون­ها، انجام عملیات شکاف هیدرولیکی در این زون­ها را توجیه­پذیر می­کند.

از طرفی بررسی گونه‌های مکانیک سنگی از لحاظ تخلخل و تراوایی اهمیت بسزایی در انتخاب زون‌های کاندید دارد. ترسیم تخلخل-تراوایی با گونه های مکانیک سنگی در شکل 5 آورده شده است. این شکل نشان می‌دهد که خوشه‌های با کمترین میزان پارامترهای مقاومتی که شامل خوشه‌های شش و دو می‌شوند بیشترین میزان تخلخل و تراوایی را دارند که از لحاظ دانش مکانیک سنگ منطقی به نظر می‌رسد چرا که این دو خوشه کمترین میزان پارامترهای مقاومتی سنگ را دارند. خوشه­های دو، پنج از لحاظ وضعیت تخلخل و اشباع‌شدگی آب مناسب هستند چرا که در خوشه شش تخلخل به‌صورت طبیعی بالاست.

 در ادامه به محاسبه مقادیر تنش­های اصلی و تعیین جهت­یابی تنش­های افقی پرداخته می­شود.

 

img0 

شکل5. نمودار اشباع آب – تخلخل با لحاظ خوشه­های تعیین شده

 

فشار منفذی

در این مطالعه برای تخمین فشار منفذی در چاه‌های مورد مطالعه از روش گرادیان سیال استفاده شده است. در این روش با در اختیار داشتن مقادیر فشار مبنا و گرادیان فشار آب، نفت و یا گاز از طریق رابطه زیر می­توان فشار منفذی را محاسبه نمود.

                                                                             8

در این رابطه P1 فشار سیال سازند در عمق Z1 و P2 فشار سیال در عمق Z2 و 𝜌𝑓  چگالی سیال و g شتاب جاذبه زمین است.

با استفاده از مقادیر تست چاه RFT و با استفاده از رابطه 8 فشار منفذی در چاه‌ها تخمین زده شده است. در این رابطه مقدار گرادیان نفت برابر با 35/0 psi/ft در نظر گرفته شده است (شکل7). 

img0 

شکل6. مقادیر پارامترهای مکانیک سنگی، گونه­های سنگی و زون­های تعیین شده برای چاه مورد مطالعه

 

img0 

 

شکل7. پروفیل فشار منفذی و مقادیر نتایج تست RFT در چاه مورد مطالعه

مقدار و جهت تنش

تنش قائم

تنش عمودی در هر نقطه از چاه معادل وزن روباره می‌باشد که بر اساس نگار چگالی و با استفاده از انتگرال‌گیری دانسیته سنگ از سطح تا عمق مورد نظر مطابق رابطه زیر به دست می­آید.

                                                                       9

در این رابطه σV تنش عمودی،  چگالی متوسط، g ثابت گرانش و z عمق از سطح زمین است. وضعیت تنش قائم در چاه مورد مطالعه در شکل 6 نشان داده شده است.

تنش­های افقی

روش­های تخمین تنش به دلیل کم‌هزینه بودن و سرعت در محاسبه مورد استقبال محققین قرار گرفته‌اند. یکی از روش‌های متداول برای تخمین تنش‌های افقی استفاده از روابط پوروالاستیک است  (Archer and Rasouli 2012):

                                 10

                            11

 

در این روابط ϑ ضریب پواسون، α ضریب بایوت، Pp  فشار منفذی و σV تنش عمودی برحسب MPa، Esta  مدول الاستیسیته استاتیک برحسب GPa و 𝜀𝑥 ، 𝜀y  به ترتیب کرنش تکتونیکی در جهت تنش افقی حداقل و حداکثر است. مقادیر تنش‌های افقی و قائم در چاه مورد مطالعه در شکل 6 نشان داده شده است.

جهت تنش­های افقی

یکی از راه‌های تعیین جهت تنش‌های افقی، استفاده از شکستگی‌های برشی و کششی دیواره چاه است. شکستگی برشی دیواره چاه قائم در راستای تنش افقی حداقل اتفاق می‌افتد. با حفر یک چاه قائم باعث می­شود تا مسیرهای تنش در جهت‌های موازی و عمود بر دیواره چاه دچار تغییر شده و در اطراف چاه تمرکز تنش ایجاد شود. لذا وقوع شکست برشی در راستای تنش افقی مینیمم محتمل‌تر از راستای تنش افقی ماکسیمم است (Zoback, 2010).

ابزارهای متفاوتی برای تعیین جهت تنش­های اصلی وجود دارد که در این میان نگارهای تصویری و کالیپر چند بازویی نقش به سزایی دارند. بهترین روش برای تشخیص شکستگی‌های چاه‌نگارهای تصویری هستند. این نگارها عمق بررسی بسیار پایینی دارند. در گل حفاری پایه آبی از FMI و در گل­های پایه روغنی از OBMI6 و UBI7 استفاده می‌شود، که به طور کلی OBMI برای تعیین شیب ساختاری و ساختارهای رسوبی و UBI برای تعیین شکستگی­ها مناسب است (Schulumberger, 2003).

در چاه مورد مطالعه نگار تصویری مطابق شکل7 در سازند سروک موجود است. همان‌طور که در این شکل مشاهده می‌شود در این چاه تنها یک شکستگی برشی مشخص رخ داده است. با توجه به این شکل امتداد این شکستگی N37W بوده (شکل8) که مطابق با جهت تنش افقی مینیمم است. با توجه به عمود بودن جهت تنش‌ها می‌توان نتیجه گرفت که شاید جهت تنش افقی ماکسیمم در چاه مورد مطالعه در راستای N 50-70 E خواهد بود.

 

C:\Users\gharecheloo\Desktop\Untitled.jpg 

 

شکل8. نمایش شکستگی برشی در چاه

C:\Users\pc5\Desktop\1.JPG 

شکل9. امتداد شکستگی برشی رخ داده (شرکت ملی مناطق نفت­خیز جنوب، 1389)

 

موانع تنشی8

یکی از مهم­ترین پارامترهای مؤثر در ایجاد و رشد شکاف تنش افقی مینیمم می­باشد که شکاف هیدرولیکی در راستای این تنش رشد خواهد کرد. درصورتی‌که در پروفیل تنش افقی مینیمم زونی وجود داشته باشد که میزان تنش در آن زون از بخش­های بالایی و پایینی خود کمتر باشد، به بخش­های با تنش بیشتر موانع تنشی گفته می­شود. موانع تنشی با محدود کردن ارتفاع شکاف و افزایش عرض، نقش مهمی در شکاف هیدرولیکی ایفا می‌کنند و بر مهار شکاف در سازندهای لایه‌ای تأثیر می‌گذارند (Wu, et al., 2022). مانع تنشی بر افزایش تدریجی فشار سیال تزریقی تأثیرگذار است که خود بر رفتار رشد شکاف مؤثر است (Xu, et al., 2019). بنابراین، موانع تنشی در درک و مدیریت فرآیندهای شکاف هیدرولیکی یکی از پارامترهای تأثیرگذار است. از طرفی رشد عمودی کنترل نشده شکاف ممکن است منجر به نفوذ شکاف به زون آبدار مخزن شود. در این مطالعه پروفیل تنش استخراج شده در شکل 6 نشان داده شده است. همان‌طور که در این شکل قابل مشاهده است زون­هایی که توسط موانع تنشی محدود شده­اند با شماره از یک تا شش نشان داده شده­اند.

بحث

یکی از کلیدی‌ترین پارامترها در تعیین زون مناسب برای عملیات شکاف هیدرولیکی، اندازه تنش افقی مینیمم می‌باشد. اهمیت این پارامتر در مهار رشد عمودی شکاف است، و زون‌هایی حائز اهمیت هستند که میزان تنش در آنها پایین‌تر باشد و توسط زون‌های با تنش بالاتر (موانع تنشی) احاطه شده‌ باشند. به همین منظور شش زون تنشی در پروفیل تنش افقی مینیمم چاه مورد مطالعه شناسایی شده است (شکل 6). که از میان آنها، زون‌هایی که از لحاظ شرایط مقاومتی سنگ، و مخزنی، وضعیت مناسبی داشته باشند، انتخاب می‌شوند. ترجیح بر این است که این زون‌ها بیشتر از خوشه‌های شش و دو تشکیل شده باشند (مقاومت مکانیک سنگی کمتر)، اشباع هیدروکربن داشته باشند و همچنین از لحاظ مقادیر تخلخل و تراوایی در محدوده قابل قبول باشند. بر این اساس زون‌های تنشی دو و چهار به دلیل اینکه در زون‌های مکانیک سنگی مقاوم D و G‌ واقع شده‌اند، حذف می‌شوند. در مطالعات جامع شکافت هیدرولیکی سنگ مخزن پارامترهای مکانیک سنگی، تنش‌های موجود، خصوصیات پتروفیزیکی از قبیل تخلخل، اشباع‌شدگی، تراوایی نیز جهت انتخاب زون مناسب مخزنی باید مورد بررسی قرار گیرد. اگر در یک بازه مخزنی تخلخل بالا (بالاتر از 18 درصد) وجود داشته باشد و تراوایی نیز بیشتر از 10 میلی دارسی باشد زهکشی و تخلیه مخزن به‌صورت طبیعی اتفاق می‌افتد و دیگر نیازی به عملیات شکافت هیدرولیکی نخواهد داشت. از طرف دیگر، اگر میزان تخلخل کمتر از پنج درصد باشد و تراوایی هم کمتر از یک میلی دارسی باشد میزان ذخیره مخزن در حدی نخواهد بود که عملیات را اقتصادی کند(Usman et al., 2010).  زون­هایی که تولید طبیعی آنها از نظر اقتصادی بسیار قابل توجه است و همچنین زون­هایی که اشباع آب آنها بالاست، جز الویت‌های آخر قرار گرفته‌اند (شکل 6). برای بخش بالایی زون تنشی یک (معادل زون مکانیکی B) همان‌طور که از شکل مشخص است تخلخل از 15 درصد بیشتر است و بنابراین این بخش، برای انجام عملیات شکافت هیدرولیکی مناسب نیست. بنابراین تنها زون‌های تنشی سه، پنج و شش به نظر برای انجام عملیات مناسب به نظر می‌رسند.

 

 

نتیجه‌گیری

با بررسی نتایج و زون­های تعیین شده برای چاه مورد مطالعه نتایج زیر به‌دست‌آمده است:

·       زون­های M و B نسبت به زون­های دیگر یکنواخت­تر هستند و پارامترهای مکانیک سنگی کمترین تغییرات را نسبت به سایر زون­ها دارند.

·       زون‌های D، E، G، H، و L بیشتر از خوشه­های یک و سه که مقاوم­ترین خوشه­ها هستند تشکیل شده­اند و دارای مقاومت بالایی می‌باشند. این زون­ها دارای بالاترین مقادیر مقاومت فشاری تک‌محوری، مدول یانگ و چقرمگی شکست هستند.

·       زون­های B، C، F، J و M بیشتر از خوشه­های دو و شش تشکیل شده­اند و دارای کمترین مقاومت هستند. این زون­ها دارای کمترین مقادیر مقاومت فشاری تک‌محوری، مدول یانگ و چقرمگی شکست هستند. همچنین این زون­ها حاوی هیدروکربن می‌باشند. 

·       زون­های F، و J که در دسته زون­های با کمترین مقاومت هستند، هر کدام توسط دو زون با مقاومت یا تنش بالاتر در بالا و پایین احاطه شده­­اند که زون­های مقاوم بالا و پایین به‌عنوان یک سد در برابر رشد عمودی شکاف عمل می­کند.

·       با تقریب به نسبت خوب زون­های مکانیک سنگی B و C معادل زون تنشی یک، زون F معادل زون تنشی سه، زون مکانیک سنگی J معادل زون تنشی پنج، زون مکانیک سنگی M معادل زون تنشی شش می­باشند که این زون­های تنشی با موانع تنشی احاطه شده­اند که به‌عنوان سد در برابر رشد عمودی شکاف می­تواند عمل کند.

·       با لحاظ کردن محدودیت اشباع آب و تخلخل، بهترین زون­ها به ترتیب زون تنشی شش معادل زون مکانیک سنگی M و زون مخزنی I2، زون تنشی سه  که کم‌وبیش معادل زون مکانیک سنگیF و زون مخزنی E2 است، زون تنشی (5) که کم‌وبیش معادل زون مکانیک سنگی J و K زون مخزنی G2 است و بخش پایینی زون تنشی یک که معادل زون مکانیک سنگی C و زون مخزنی C3 است مناسب شکافت هیدرولیکی هستند (بخش بالایی زون تنشی یک که معادل زون مکانیک سنگی B و زون مخزنی C1 و C2 می­باشد تخلخل 18 درصد دارد و تولید آن به‌صورت طبیعی بالاست).

·       بهترین جهت­یابی برای مشبک‌کاری چاه حدود N50E می‌باشد که راستای تقریبی تنش افقی ماکسیمم می­باشند.

منابع 

 

-       شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، 1393. انجام آزمایش نشت و نشت گسترده در چاه xx ، ایران، گزارش شماره پ-7991. ##شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، 1389. تفسیر نمودار تصویری، گزارش شماره پ-6756 . ##

 

-       Archer, S. and Rasouli, V., 2012. A log based analysis to estimate mechanical properties and in-situ stresses in a shale gas well in North Perth Basin. Petroleum and Mineral Resources, 21, 122-135.

-       Economides, M.J. and Nolte, K.G., 1989. Reservoir stimulation, 2, 6-10. 

-       Fjaer, E., Holt, R.M., Horsrud, P. and Raaen, A.M., 2008. Petroleum related rock mechanics, Vol. 53, Elsevier.

-       Hibbeler, J. and Rae, P., 2005. Simplifying hydraulic fracturing-theory and practice. SPE-97311.

 

-               Huang X.R., Huang J.P., Li, Z.C., Yang Q.Y., Sun Q.X., Cu, W., 2015. Brittleness index and seismic rock physics model for anisotropic tight-oil sandstone reservoirs. Applied Geophysics, 12, 11–22.

 

-       Jahandideh, A. and Jafarpour, B., 2016. Optimization of hydraulic fracturing design under spatially variable shale fracability. Journal of Petroleum Science and Engineering, 138, 174-188.

 

-       James G. A. and Wynd J. G., 1965. Stratigraphic nomenclature of Iranian oil consortium agreement area, AAPG, Bulletin, 49, 2182-2245.

 

-       Jin X., Shah S., Roegiers J.C. and Hou B., 2014. Breakdown pressure determination A fracture mechanics approach. USA: SPE.

 

-       Kalhori, M., Mehrabi, H., Sfidari, E. and Khiabani, S.Y., 2024. Target zone selection for hydraulic fracturing using sedimentological and rock mechanical studies with the support of the machine learning method of cluster analysis. Geoenergy Science and Engineering, 237, p.212826.

 

-       Legarth, B., Huenges, E. and Zimmermann, G., 2005. Hydraulic fracturing in a sedimentary geothermal reservoir: Results and implications. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 42,77, 1028-1041.

 

 

-       Meng F., Zhou H., Zhang C., Xu R. and Lu J., 2015. Evaluation methodology of brittleness of rock based on post-peak stress–strain curves. Rock. Mech. Rock. Eng., 48 1787–1805.

 

-       Schlumberger., 2003. Using borehole imagery to reveal key reservoir features. In Reservoir Optimization Conference. Tehran., Iran.

 

-       Usman, U., Marino, D. and Soelistijono, M., 2010. Study  On Productivity Improvement Of Low Permeability Gas Reservoir By Hydraulic Fracturing. Scientific Contributions Oil and Gas, 33(2), 120-128.

 

-       Warpinski, N.R., Clark, J.A., Schmidt, R.A. and Huddle, C.W., 1982. Laboratory investigation on the effect of in-situ stresses on hydraulic fracture containment. Society of Petroleum Engineers Journal, 22(03), .333-340.

 

-       Willis, R.B., Fontaine, J., Paugh, L. and Griffin, L., 2005. Geology and geometry: A review of factors affecting the effectiveness of hydraulic fractures. SPE-97993.

 

-       Wright, C.A., Weijers, L., Davis, E.J. and Mayerhofer, M., 1999. Understanding hydraulic fracture growth: Tricky but not hopeless. SPE- 56724

 

-       Wu, B., Wei, X., Wang, W., Li, J., Liu, T. and Wang, X., 2022. Effect of stress and material barriers on hydraulic fracture height containment in layered formations. Environmental Earth Sciences, 81,1, 255.

 

-       Xu, W., Prioul, R., Berard, T., Weng, X. and Kresse, O., 2019. Barriers to hydraulic fracture height growth: A new model for sliding interfaces. SPE-194327.

 

-       Zoback, M.D., 2010. Reservoir geomechanics. Cambridge university press.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Selection of Appropriate Zones for Hydraulic Fracturing Operations in the Ilam and Sarvak Formations of an Oil Well in the Southwestern Oil Fields of Iran

 

Kalhori, M.1, Gharechelloo, S.1, Yasami Khiabani, S.1, S.

 

1. MSc. in Petroleum Geology Research Group, Research Institute of Applied Sciences, Tehran, Iran

1. Assistant Professor in Petroleum Geology Research Group, Research Institute of Applied Sciences, Tehran, Iran

1. MSc. in Petroleum Geology Research Group, Research Institute of Applied Sciences, Tehran, Iran

 

Abstract
Hydraulic fracturing is one of the most widely used well stimulation methods in oil and gas reservoirs worldwide. Economically, selecting the appropriate zone for hydraulic fracturing operations is highly critical. Geomechanical parameters play a significant and influential role in identifying candidate zones. Among the most important geomechanical parameters are the magnitude and orientation of the minimum horizontal stress and the rock mechanical properties of the formation.

In this study, the process of zonation and selecting the optimal zone is investigated using stress zone identification based on minimum horizontal stress, rock mechanical zonation based on rock mechanical parameters, and integrating these results with acceptable thresholds for porosity and permeability.

First, rock mechanical parameters such as Young’s modulus, Poisson’s ratio, Uniaxial Compressive Strength, fracture toughness, and rock brittleness index were extracted from well logs using various empirical correlations. Hierarchical clustering, as an unsupervised machine learning method, was then applied to these data, resulting in six clusters. Based on these clusters, the reservoir interval was divided into 13 zones labeled A to M.

By calculating the principal stresses and pore pressure, the minimum horizontal stress was used to determine stress zones bounded by stress barriers, identifying six stress zones within the studied interval in the well.

Finally, by analyzing and integrating the results of rock mechanical zonation, stress zonation, and reservoir parameters (porosity and permeability), appropriate zones for hydraulic fracturing were selected. Stress zones 6, 3, and 5 were identified as the most suitable zones for hydraulic fracturing operations.

 

[1]  Repeat Formation Tester 

[2]  Formation Integrity Test

[3]  Fracture Toughness

[4]  Brittleness Index

[5]  Brittleness Index

[6]  oil-based microimager

[7]  Ultrasonic Borehole Imager

[8]  Stress Barriers


The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2017-2025

Home| Login| About Rimag| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]