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

Abstract

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.