شبیه‌سازی فیلتر شنی در جلوگیری از ماسه‌دهی چاه‌های آبده با استفاده از نرم‌افزار PFC3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد آب زمین شناسی، گروه زمین شناسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

2 استاد تمام گروه علوم مهندسی آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

3 استادیار گروه زمین شناسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

4 دکتری مهندسی عمران-آب، سرپرست معاونت بهره برداری شرکت آب و فاضلاب استان آذربایجان غربی، ارومیه، ایران.

10.22034/hydro.2026.68989.1337

چکیده

منابع آب زیرزمینی به‌عنوان یکی از منابع حیاتی تأمین آب شرب و کشاورزی، در معرض پدیده ماسه‌دهی قرار دارند که موجب کاهش بهره‌وری چاه‌ها و آسیب به تجهیزات می‌شود. این پژوهش به بررسی و طراحی بهینه فیلتر شنی برای کنترل ماسه‌دهی در چاه‌های آبده جنوب شهرستان ارومیه پرداخته است. در این پژوهش، طراحی و مدلسازی بسته‌شن با بهره‌گیری از نرم‌افزار PFC3D و تحلیل جریان سیالات محاسباتی (CFD) انجام شد. نرم‌افزار PFC3D که مبتنی بر روش المان گسسته (DEM) عمل می‌کند، قابلیت شبیه‌سازی برهم‌کنش ذرات مجزا، محاسبه نیروهای تماس بین آن‌ها و بررسی اثر نیروهای خارجی همچون نیروی درگ ناشی از جریان سیال را داراست. در ابتدا لاگ‌های زمین‌شناسی چاه‌ها با نرم‌افزار لاگ‌پلات تحلیل شد تا لایه‌های ماسه‌ای مستعد ماسه‌دهی و ذرات غالب هر چاه شناسایی گردد. سپس دبی بحرانی جریان بر اساس عدد رینولدز و معیار شیلدز محاسبه و با دبی واقعی بهره‌برداری مقایسه شد تا چاه‌های دارای ریسک بالا مشخص شوند. در ادامه، بر این اساس داده‌های لاگ چاه‌ها تحلیل گردید و رسوبات بر اساس ذرات غالب، به چهار دسته اصلی شامل ماسه دانه‌درشت، ماسه دانه‌متوسط، ماسه دانه‌ریز و ماسه بسیار ریز طبقه‌بندی شدند. متناسب با هر یک از این دسته‌ها، چهار طرح مجزا از بسته‌شن طراحی و شبیه‌سازی گردید. و ابعاد بهینه شن در شبیه‌سازی عددی بدست آمد. چاه‌ A: ماسه‌ دانه‌درشت (بسته‌شن با ابعاد 18–5/14 میلی‌متر)، چاهB: ماسه دانه‌متوسط (بسته‌شن با ابعاد 5/7–2/5 میلی‌متر)، چاه C: ماسه دانه‌ریز (3/4–1 میلی‌متر) و چاه D: ماسه بسیار دانه‌ریز (1/1–65/0 و 5/1–2/1 میلی‌متر) طراحی گردید. نتایج شبیه‌سازی عددی نشان داد که انتخاب اندازه دانه مناسب و آرایش تدریجی بسته‌بندی شن، پایداری ذرات و جلوگیری از مهاجرت ماسه به داخل چاه را افزایش می‌دهد. طراحی بهینه فیلتر شنی جریان سیال را کنترل کرده و از ورود ذرات ماسه جلوگیری می‌کند، که باعث افزایش طول عمر چاه و بهره‌وری آبدهی می‌شود. این مطالعه اهمیت تلفیق داده‌های زمین‌شناسی، تحلیل هیدرودینامیکی و شبیه‌سازی عددی در طراحی پایدار چاه‌های آبده را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simulation of Sand Filter in Preventing Sand Production in Water Wells Using PFC3D Software

نویسندگان [English]

  • Farrin Jabbari balderlo 1
  • Hossein Rezaie 2
  • Manijeh Qara Qeshlag 3
  • Seyed Mehdi Esmat Saatloo 4
1 M.Sc. Student of Hydrogeology, Department of Geology, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Full Professor, Department of Water Engineering, Urmia University, Urmia, Iran.
3 Assistant Professor, Department of Geology, Urmia University, Urmia, Iran.
4 Ph.D. in Civil Engineering – Water, Head of Operations, West Azerbaijan Province Water and Wastewater Company, Urmia, Iran.
چکیده [English]

Groundwater resources, as essential sources for drinking water and agriculture, are vulnerable to sand production, which reduces well efficiency and damages equipment. This study investigates and optimizes gravel pack design to control sand production in production wells in southern Urmia, Iran. Geological well logs were analyzed using LogPlot to identify sand-prone layers and dominant grain sizes in each well. Critical flow discharge was calculated based on Reynolds number and Shields criterion and compared with actual pumping rates to determine high-risk wells. Gravel pack design considered the physical and hydrodynamic properties of the aquifer and was evaluated through CFD–DEM numerical simulations. Four gravel pack types were designed for coarse (14.5–18 mm), medium (5.2–7.5 mm), fine (1–4.3 mm), and very fine sand (0.65–1.1 mm and 1.2–1.5 mm, dual grading), and their performance was simulated. Results indicated that selecting appropriate grain sizes and implementing a graded gravel arrangement enhances particle stability and prevents sand migration into the well. Optimized gravel packs effectively control fluid flow and mitigate sand production, thereby increasing well lifespan and water production efficiency. This study demonstrates the importance of integrating geological data, hydrodynamic analysis, and numerical simulations for sustainable groundwater well design, providing practical guidelines for selecting gravel pack size and configuration according to aquifer properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CFD–DEM numerical simulation
  • Critical discharge
  • Gravel pack
  • Groundwater

مراجع

آل‌شیخ، ع.ا.، چترسیماب، ز.، وثوقی، ب.، مدیری، م. و پاکدامن، م.ص.، ۱۳۹۷. بررسی فرونشست سطح زمین در اثر برداشت بی‌رویه آب زیرزمینی با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری-آبخوان مرودشت. فصلنامه آب و خاک (علوم و فناوری آب)، ۳۱(۴): ۸۵۵-۸۶۸.
براهیمی، ش.، رضایی، ا. و موسوی، ز.، ۱۴۰۳. بررسی فرونشست آبخوان دشت عباس ایلام در دو دوره افت و خیز تراز آب زیرزمینی به کمک تکنیک تداخل‌سنجی راداری. نشریه هیدروژئولوژی، ۱۰(۱): ۱-۱۲.
خارا، س.، صادقی الری، ع. و سامانی، س، ۱۴۰۴. شبیه‌سازی عددی آب زیرزمینی با استفاده از مدل ریاضی (مطالعه موردی: آبخوان کهورستان، استان هرمزگان). نشریه هیدروژئولوژی، ۱۰(۱): ۵۰-۶۰.
خسروپناه، ا.، کرمی، غ.ح.، جیحونی، س.، ۱۳۹۰. تاثیرات برداشت بی‌رویه از آب‌های زیرزمینی و پدیده فرونشست در دشت سملقان. هفتمین کنفرانس زمین‌شناسی مهندسی و محیط زیست ایران، تهران.
جعفرزاده، ا.، خاشعی سیوکی، ع. و پوررضا بیلندی، م.، ۱۴۰۲. ارزیابی عملکرد روش‌های عددی در شبیه‌سازی جریان آب زیرزمینی (مطالعه موردی: آبخوان بیرجند). نشریه هیدروژئولوژی، ۷(۲): ۶۱-۷۵.
سمیعی دستجردی، ر.، حیات‌زاده، م.، فتح‌الله‌زاده، ع. و فتوحی فیروزآباد، ف.، ۱۴۰۳. شبیه‌سازی آب‌زیرزمینی با استفاده از سیستم هوش مصنوعی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز کمه، استان اصفهان). نشریه هیدروژئولوژی، ۹(۲): ۶۵-۷۶.
فکوری، ح.، بی‌جن‌خان، ع.، ۱۴۰۱. امکانسنجی شناسایی چاه‌های با پتانسیل ماسه‌دهی زیاد با استفاده از نقشه‌های فرونشست (مطالعه موردی: استان البرز). مجله تحقیقات آب و خاک ایران، ۵۳(۱۰): ۲۴۱۳-۲۴۲۲۷.
Al-Sheikh, A.A., Chatr-Simab, Z., Vosooghi, B., Modiri, M., and Pakdaman, M.S., 2018. Investigation of land subsidence due to excessive groundwater extraction using radar interferometry technique: Marvdasht aquifer. Journal of Water and Soil Science (Water and Soil Sciences), 31(4): 855–868. [In Persian]
Anderson, T.B., Jackson, R., 1967. A fluid mechanical description of fluidized beds. Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, 6(4): 527–539.
Bear, J. (1972). Dynamics of Fluids in Porous Media. American Elsevier Publishing Company, New York.
Beetstra, R., van der Hoef, M.A., Kuipers, J.A.M., 2007. Drag force of intermediate Reynolds number flow past mono- and bidisperse arrays of spheres. AIChE Journal, 53(2): 489–501.
Chow, V.T., 1959. Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York, USA, 680 p.
Civan, F., 2007. Reservoir formation damage: Fundamentals, modeling, assessment, and mitigation. Gulf Professional Publishing, Houston, USA, 1132 p.
Crowe, C.T., Schwarzkopf, J.D., Sommerfeld, M., Tsuji, Y., 2011. Multiphase flows with droplets and particles. CRC Press, Boca Raton, USA, 489 p.
Cundall, P.A., Strack, O.D.L., 1979. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique, 29(1): 47–65.
Davis, S.N., Anderson, R.S., 1996. Groundwater well design and construction. Journal of Hydrogeology, 4(2): 89–104.
Di Felice, R., 1994. The voidage function for fluid-particle interaction systems. International Journal of Multiphase Flow, 20(1): 153–159.
Driscoll, F.G., 1986. Groundwater and wells. Johnson Division, St. Paul, MN, USA, 1089 p.
Ebrahimi, S., Rezaei, A., and Mousavi, Z., 2024. Investigation of aquifer subsidence in Abbas plain of Ilam during two periods of groundwater level fluctuation using radar interferometry. Journal of Hydrogeomorphology, 10(1): 1–12. [In Persian]
Fakouri, H., and Bigan-Khan, A., 2022. Feasibility of identifying high-sand-yield wells using subsidence maps (Case study: Alborz province). Iranian Journal of Water and Soil Research, 53(10): 2413–2427. [In Persian]
Freeze, R.A., Cherry, J.A., 1979. Groundwater. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, USA, 604 p.
Gantt, R.E., 2024. Sand deposition effects on pressure drop and equipment damage in water distribution systems. Journal of Water Resources Engineering, 29(1): 45–59.
García, M.H., 2008. Sedimentation engineering: Processes, measurements, modeling, and practice. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 110, Reston, VA, USA, 1132 p.
Gidaspow, D., 1994. Multiphase flow and fluidization: continuum and kinetic theory descriptions. Academic Press.
Jafarzadeh, A., Khashei Siouki, A., and Pourreza Bilandi, M., 2023. Evaluation of numerical methods performance in groundwater flow simulation (Case study: Birjand aquifer). Journal of Hydrogeomorphology, 7(2): 61–75. [In Persian]
Johnson, R.C., 1963. Design criteria for gravel packs in unconsolidated formations. Journal of Petroleum Technology, 15(7): 789–797.
Khara, S., Sadeghi Alireza, A., and Samani, S., 2025. Numerical simulation of groundwater using mathematical model (Case study: Kohourstan aquifer, Hormozgan province). Journal of Hydrogeomorphology, 10(1): 50–60. [In Persian]
Khosropanah, I., Karimi, G.H., and Jihouni, S., 2011. Impacts of excessive groundwater extraction and land subsidence phenomenon in Soltanabad plain. 7th Conference on Engineering and Environmental Geology of Iran, Tehran. [In Persian]
LogPlot, 2023. LogPlot software for borehole log plotting and analysis. RockWare Inc., Golden, CO, USA. https://www.rockware.com/product/logplot/
Pereira, F.A., 2014. Economic impacts of sand production on water well maintenance costs. Water Resources Research, 50(6): 4897–4910.
Pham, D.T., 2017. Critical flow rate determination for sand production control in weak formations. Journal of Petroleum Science and Engineering, 152: 345–356.
Samiie Dashtjerdi, R., Hayat-Zadeh, M., Fathollah-Zadeh, A., and Fathouhi Firouzabad, F., 2024. Groundwater simulation using artificial intelligence system (Case study: Komeh watershed, Isfahan province). Journal of Hydrogeomorphology, 9(2): 65–76. [In Persian]
Samir, M.A., El-Sayed, H., Ahmed, K., 2021. Optimal gravel pack design ratios for sand control in water wells. Groundwater Engineering Journal, 14(2): 187–201.
Saucier, A.E., 1974. Considerations in gravel pack design. Journal of Petroleum Technology, 26(2): 205–215.
Shields, A., 1936. Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement. Mitt. Preuss. Versuchsanst. Wasserbau Schiffbau, 26: 5–24.
Statistical Center of Iran, 2016. National population and housing census. Tehran, Iran: Statistical Center of Iran.
Todd, D.K., Mays, L.W., 2005. Groundwater hydrology. John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, USA, 636 p.
Tsuji, Y., Kawaguchi, T., Tanaka, T., 1993. Lagrangian numerical simulation of plug flow of cohesionless particles in a horizontal pipe. Powder Technology, 77(1): 79–87.
Vanoni, V.A., 2006. Sedimentation engineering. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 54 (Revised), Reston, VA, USA, 418 p.
Vieira, L.K.P., Damasceno, J.J.R., Barrozo, M.A.S., 2016. Erosive wear in pipelines due to sand particles transport. Powder Technology, 288: 112–125.
Wang, J., and Chen, Z. (2010). “Numerical Modeling of Sand Production in Unconsolidated Reservoirs”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47(5), 823-832.
هیدروژئولوژی
دوره 10، شماره 1
شهریور 1404
صفحه 61-76

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار