مدلسازی عددی نمونه‌های استوانه‌ای توخالی جدارضخیم: اثرشرایط تنشهای اعمال-شده بر روی تغییرشکل و نحوه گسیختگی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی قزوین (ره)

10.17383/S2251-6565(15)940919-X

چکیده

حفر چاه در صنایع مختلف مانند نفت، گاز و معدن همواره با مشکل ناپایداری مواجه بوده و نیاز به صرف هزینه­های زیاد دارد. با کنترل تغییرشکل و شکست در دیواره­ی چاه می­توان به حداقل ممکن ناپایداری رسید. در این مقاله، هدف بررسی تغییر شکل 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 مکانیکی بر روی نمونه­های مصنوعی گچ و نمونه­های طبیعی مارن، ماسه­سنگ و آهک رسی انجام شده است. با توجه به محدودیت های آزمایشگاهی امکان انجام آزمایش در تنش بالا مقدور نبود بنابراین آزمایش سه محوری به کمک سلول هوک 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 تغییرشکل و شکل شکست در نمونه­های استوانه­ای جدار ضخیم نمونه­های طبیعی مارن، ماسه­سنگ و آهک رسی تحت شرایط تنش   استفاده شد. نتایج حاصل از مدل­سازی نشان داد که شکل شکست در شرایط تنش ذکر شده در دیواره­ی نمونه­های استوانه­ای جدارضخیم به صورت برشی و در دو جهت مخالف دیواره­ی گمانه است. همچنین در رژیم تنش  شکست با توزیع تصادفی در سه ناحیه اتفاق می­افتد. در هر دو رژیم تنش، بیشترین فشار داخل گمانه در لحظه شکست برای ماسه­سنگ و کمترین فشار داخل گمانه برای آهک رسی در بین نمونه­های مورد مطالعه است. همچنین کمترین کرنش پلاستیک برای ماسه­سنگ و بیشترین کرنش پلاستیک برای آهک رسی از نتایج مدلسازی عددی حاصل شده است. فشار داخل گمانه در لحظه شکست می تواند به عنوان فشار اولیه گل حفاری مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Sonia Aghayi
  • Mehdi Hosseini
Dept. of Mining, Imam khomeini International University, Ghazvin, Iran
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thick-Walled hollow cylinder specimens
  • Deformation
  • Oil well
  • Failure and Abaqus
[1] Al-Ajmi, A. M., & Zimmerman, R. W. (2006). Stability analysis of vertical boreholes using the Mogi–Coulomb failure criterion. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43(8), 1200-1211.

[2] Bell, J. S., & Bachu, S. (2003). In situ stress magnitude and orientation estimates for Cretaceous coal-bearing strata beneath the plains area of central and southern Alberta. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 51(1), 1-28.

[3] Khan, S. A. I. (2006). Wellbore stability during underbalanced drilling. InMasters Abstracts International (Vol. 45, No. 03).

[4] Zoback, M. D. (2010). Reservoir geomechanics. Cambridge University Press.

[5] Pasic, B., Gaurina-Meðimurec, N., & Matanovic, D. (2007). Wellbore Instability: Causes And Consequences/Nestabilnost Kanala Busotine: Uzroci I Posljedice. Rudarsko - geolosko - naftni zbornik, 19(1), 87.

[6] Fjar, E., Holt, R. M., Raaen, A. M., Risnes, R., & Horsrud, P. (2008). Petroleum related rock mechanics (Vol. 53). Elsevier.

[7] Ewy, R. T., & Cook, N. G. W. (1990, October). Deformation and fracture around cylindrical openings in rock—I. Observations and analysis of deformations. InInternational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts (Vol. 27, No. 5, pp. 387-407). Pergamon.

[8] Santarelli, F. J., & Brown, E. T. (1989, September). Failure of three sedimentary rocks in triaxial and hollow cylinder compression tests. InInternational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts (Vol. 26, No. 5, pp. 401-413). Pergamon.

[9] Perie, P. J., & Goodman, R. E. (1989). Evidence of new failure patterns in a thick-walled cylinder experiment. In Proc. 12th ETCE/ASME Conf. (Vol. 22, pp. 23-27).

[10] Elkadi, A. S., & Van Mier, J. G. M. (2004). Scaled hollow-cylinder tests for studying size effect in fracture processes of concrete. fracture mechanics of concrete structures, 1, 229-236.

[11] Warlick, L. M., Abass, H. H., Khan, M. R., Pardo Techa, C. H., Tahini, A. M., Shehri, D. A., ... & Perumalla, S. (2009, January). Evaluation of Wellbore Stability during Drilling and Production of Open Hole Horizontal Wells in a Carbonate Field. In SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium. Society of Petroleum Engineers.

[12] Haimson, B. (2007). Micromechanisms of borehole instability leading to breakouts in rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 44(2), 157-173.

[13] Adams, F. D. (1912). An experimental contribution to the question of the depth of the zone of flow in the earth's crust. The Journal of Geology, 97-118.

[14] King, L. V. (1912). On the limiting strength of rocks under conditions of stress existing in the earth's interior. The Journal of Geology, 119-138.

[15] Bridgman, P. The failure of cavities in crystals and rocks under pressure. American Journal of Science, 1918.

[16] Robertson, E. C. (1955). Experimental study of the strength of rocks. Geological Society of America Bulletin, 66(10), 1275-1314.

[17] Hoskins, E. R. (1969, January). The failure of thick-walled hollow cylinders of isotropic rock. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts (Vol. 6, No. 1, pp. 99-125). Pergamon.

[18] Alsayed, M. I. (2002). Utilising the Hoek triaxial cell for multiaxial testing of hollow rock cylinders. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 39(3), 355-366.

[19] Gay, N. C. (1973, May). Fracture growth around openings in thick-walled cylinders of rock subjected to hydrostatic compression. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts (Vol. 10, No. 3, pp. 209-233). Pergamon.

[20] Bandis, S. C., Lindman, J., & Barton, N. (1987, January). Three-dimensional stress state and fracturing around cavities in overstressed weak rock. In 6th ISRM Congress. International Society for Rock Mechanics.

[21] Walton, G., et al. (2015). Borehole Breakout Analysis to Determine the In-Situ Stress State in Hard Rock. 49th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium,

[22] Chatterjee, R., Singha, D. K., & Sangvai, P. Deformation modeling around a wellbore using finite element technique.

[23] Gentzis, T., Deisman, N., & Chalaturnyk, R. J. (2009). A method to predict geomechanical properties and model well stability in horizontal boreholes.International Journal of Coal Geology, 78(2), 149-160.

[24] Peng, S., Fu, J., & Zhang, J. (2007). Borehole casing failure analysis in unconsolidated formations: A case study. Journal of Petroleum Science and Engineering, 59(3), 226-238.

[25] Salehi, S., Hareland, G., & Nygaard, R. (2010). Numerical simulations of wellbore stability in under-balanced-drilling wells. Journal of Petroleum Science and Engineering, 72(3), 229-235.

[26] Hoek, E., & Franklin, J. A. (1967). A simple triaxial cell for field or laboratory testing of rock. Imperial College of Science and Technology, University of London.

[27] Elkadi, A. S., & Van Mier, J. G. M. (2004). Scaled hollow-cylinder tests for studying size effect in fracture processes of concrete. fracture mechanics of concrete structures, 1, 229-236.