مدلسازي عددي نمونه‌هاي استوانه‌اي توخالي جدارضخيم: اثرشرايط تنشهاي اعمال-شده بر روي تغييرشكل و نحوه گسيختگي

Numerical modeling of thick-walled hollow cylindrical samples: effect of status of applied stresses on deformation and shape of failure

حفر چاه در صنایع مختلف مانند نفت، گاز و معدن همواره با مشكل ناپایداری مواجه بوده و نیاز به صرف هزینه­های زیاد دارد. با كنترل تغییرشكل و شكست در دیواره­ی چاه می­توان به حداقل ممكن ناپایداری رسید. در این مقاله، هدف بررسی تغییر شكل و نحوه گسیختگی در نمونه­های استوانه­ای توخالی جدارضخیم (برای مدل سازی چاه نفت) حین حفاری تحت دو شرایط تنش متفاوت است. برای این­منظور، ابتدا مطالعات آزمایشگاهی با هدف تعیین خصوصیات مكانیكی بر روی نمونه­های مصنوعی گچ و نمونه­های طبیعی مارن، ماسه­سنگ و آهك رسی انجام شده است. با توجه به محدودیت های آزمایشگاهی امكان انجام آزمایش در تنش بالا مقدور نبود بنابراین آزمایش سه محوری به كمك سلول هوك تغییر یافته فقط بر روی نمونه‌های استوانه­ای توخالی جدار ضخیم گچ انجام شد. نتایج آزمایش­های انجام شده­ برای ساخت و اصلاح مدل­سازی عددی توسط نرم­افزار ABAQUS مورد استفاده قرار گرفت و در نهایت از مدل اصلاح شده برای پیش­بینی تغییرشكل و شكل شكست در نمونه­های استوانه­ای جدار ضخیم نمونه­های طبیعی مارن، ماسه­سنگ و آهك رسی تحت شرایط تنش   استفاده شد. نتایج حاصل از مدل­سازی نشان داد كه شكل شكست در شرایط تنش ذكر شده در دیواره­ی نمونه­های استوانه­ای جدارضخیم به صورت برشی و در دو جهت مخالف دیواره­ی گمانه است. همچنین در رژیم تنش  شكست با توزیع تصادفی در سه ناحیه اتفاق می­افتد. در هر دو رژیم تنش، بیشترین فشار داخل گمانه در لحظه شكست برای ماسه­سنگ و كمترین فشار داخل گمانه برای آهك رسی در بین نمونه­های مورد مطالعه است. همچنین كمترین كرنش پلاستیك برای ماسه­سنگ و بیشترین كرنش پلاستیك برای آهك رسی از نتایج مدلسازی عددی حاصل شده است. فشار داخل گمانه در لحظه شكست می تواند به عنوان فشار اولیه گل حفاری مورد استفاده قرار گیرد.

In addition to high cost levels, shaft excavation in different sectors such as mining, oil and gas extraction have always been dealing with instability problems. Instability hazards can be minimized by controlling the deformation and failure of wellbore wall. The purpose of this paper is to study the deformation and failure mechanism of thick-walled hollow cylindrical specimens (for modeling of oil well) during the excavation in two different stress conditions. Laboratory tests were carried out on artificial specimens of gypsum and natural specimens of marl, sandstone and clayed limestone in order to determine the mechanical properties of the aforementioned rocks. The experiments in high stress conditions could not be carried out due to some limitations related to laboratory. Therefore, triaxial tests were done on thick-walled hollow cylindrical specimens of gypsum using modified Hoek cell. The results of tests were employed to develop and modify numerical models which were used for prediction of deformation and failure mechanisms in thick-walled hollow cylindrical natural specimens of marl, sandstone and clayed limestone in the following stress condition . It was revealed that the failure mechanism in the wall of thick-walled hollow cylindrical specimens for stress condition of  is shear failure which occurs in two opposite points on the borehole wall. However, in the stress condition of  the failure occurs in three points with random distribution. The maximum and minimum values of borehole pressure in the failure moment occurred for sandstone and clayed limestone respectively in both stress conditions. Also the outcome of numerical modeling revealed the maximum and minimum values of plastic strain to be in cases of clayed limestone and sandstone, respectively. Pressure within the borehole at the moment of failure could be used as initial pressure of drilling fluid.