مدل سازی عددی شروع شکست هیدرولیکی برای تخمین فشار خرابی
چکیده
برآورد تنش های برجای زمین اهمیت فراوانی در طراحی سازه های زیرزمینی و حفر چاه های نفت و گاز دارد. روش شکست هیدرولیکی یکی از مناسبترین و موثرترین روش های تعیین تنش های برجای توده سنگ در اعماق زمین می باشد. در این روش، فشار سیال در برخی نقاط از گمانه اندازه گیری می شود و تحلیل فشار های برداشت شده، برای استنتاج مولفه های تانسور تنش استفاده می شود. یکی از این فشار ها، فشار خرابی می باشد که فشاری است که باعث آغاز شکل گیری ترک های کششی در جداره یک حفره دایروی تحت تنش های محیطی می شود. یافتن این فشار از آن جهت دارای اهمیت است که می توان بین مقدار آن و تنش های محیطی، رابطه ای برقرار کرد و در نتیجه به وسیله آن می توان به مقادیر تنش های برجای محیطی که سال هاست مورد توجه محققین مختلف بوده است، دست پیدا کرد. روابط تئوری کلاسیک مختلفی در زمینه شکست هیدرولیکی و یافتن ارتباط بین فشار خرابی و تنش های برجا وجود دارد. با توجه به تحقیقات انجام شده این روابط محدودیت هایی دارد و بررسی های بیشتر به کمک روش های عددی در این زمینه، اهمیت فراوانی دارد. از این حیث، این تحقیق با استفاده از روش عددی تفاضل محدود و نرم افزار flac2d، و با شبیه سازی شروع شکست هیدرولیکی به دنبال یافتن فشار خرابی و رابطه آن با تنش های برجا می باشد. فشار معادل سیال، داخل حفره ای دایروی شکل در یک مدل دو بعدی کرنش مسطح اعمال گردید تا شکست های کششی در دیواره حفره رخ دهد و در این لحظه فشار داخل حفره، به عنوان فشار خرابی ثبت شد. نتایج مدل سازی ها انطباق بسیار خوبی با روابط کلاسیک شکست هیدرولیکی داشتند و نشان دادند که حالت تنش های برجای افقی، مقاومت کششی سنگ و اندازه شعاع گمانه بر فشار خرابی تاثیرگذارند. فشار خرابی، با افزایش تنش انحرافی، افزایش شعاع گمانه و کاهش مقاومت کششی سنگ، کاهش می یابد. همچنین فشار خرابی در حضور ترک های موجود در برِ حفره بررسی شد. نتایج نشان دادند که با افزایش نسبت طول ترک اولیه به شعاع گمانه، فشار خرابی کاهش می یابد. نحوه شروع و گسترش ترک های کششی، هم در حالت عدم حضور ترک و هم در حالت حضور ترک اولیه مورد بررسی قرار گرفت. پدیده دیگری نیز در زمینه شکست هیدرولیکی تحت عنوان چرخش ترک بررسی گردید. نتایج، گسترش شاخه ای ترک ها را نشان می داد که به دلیل تغییر جهت تنش های اصلی می باشد. راستای ترک موجود، طول ترک، تنش انحرافی و اندازه گمانه از عوامل موثر بر این پدیده می باشند.