SUPERVISOR
Lohrasb Faramarzi,Seyedhadi Hoseinie
لهراسب فرامرزي (استاد راهنما) سيد هادي حسيني (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Darbor
محمد داربر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
The Effect of Anisotropy on Mechanical Properties, Rate of Penetration and Drilling Specific Energy of Rocks
The mechanical properties, specific energy and drilling performance of the rocks are influenced by the anisotropy. The anisotropy of the rocks is due to the discontinuity or due to variations in the size, shape and position of mineral grains. Prediction of specific energy and rate of penetration of rotary drilling is an essential step in designing drilling projects and evaluating the time and drilling performance. The present study can be In the first section of this thesis, the specimen size effect on uniaxial compressive strength of 114 rock samples and 84 concrete specimens using specimen size effect models has been investigated. The results of this section indicated that the prediction of specimen size effect models depends on the preparation and anisotropy of the specimens. In the igneous rocks, outputs of the multi-fractal scaling model and the specimen size effect model using the fracture energy theory and in the sedimentary rocks, results of the specimen size effect model using the fracture energy theory exhibited a better correlation with the results of previous laboratory tests. Also, in the concrete specimens, in the small diameters, results of Hoek and Brown model and in the large diameters, outputs of the multi-fractal scaling model indicated a better correlation with the results of previous laboratory tests. The results of this section can be utilized to design engineering projects at different scales such as repositories of storing oil and gas, underground power plants and radioactive waste repositories. In the second section, the effect of anisotropy on penetration rate of 91 m coring drilling conducted in state of Wyoming has been studied. Also, a combination of two techniques of non-linear statistical and artificial neural networks was used to estimate coring drilling performance. The results of non-linear statistical analysis exhibited that the four parameters of brittleness, RQD, humidity and anisotropy index have better correlation with the rate of drilling penetration. However, the values of the determination coefficient of the non-linear statistical models were low. For this reason, non-linear statistical models were developed using multi-layer perceptron neural network technique by MATLAB software. The results of this section show that the neural network is a useful tool to minimize uncertainties encountered during drilling process. In the third section, using physical modelling and statistical methods, the effect of the grain size, the discontinuity angle and also the effect of the sample diameter on the mechanical properties, rate of penetration and the drilling specific energy was studied. Also, novel models were proposed to predict the performance and drilling specific energy. In order to directly measure of the drilling specific energy, the laboratory automatic coring machine was designed and manufactured to determine the instantaneous and average trust on the drilling bit and the drilling specific energy. In this section, using physical modelling, 10 concrete blocks, with dimensions of 50 cm × 50 cm × 50 cm, with three angles of 30, 45 and 60 degrees and three grain sizes 0-9.5 mm, 0-12.5 mm and 0-19 mm were manufactured. Concrete blocks with three diameters of 52, 76 and 102 mm and with length of 50 cm were drilled using laboratory automatic coring machine. The results of 86 m drilling (172 cores and 688 prepared specimens) and 124 servo-control uniaxial compressive tests showed that, by increasing the angle of discontinuity from 30 to 60 degrees, the trust on the bit and drilling specific energy increase and rate of drilling penetration, the uniaxial compressive strength and the elastic modulus decrease. Also, in the low diameters of drilling, the specific energy values calculated from the Teale, Moore and Wang equations have a good correlation with the values of actual measured specific energy. The results of sensitivity analysis exhibited that three parameters, RQD, brittleness and discontinuity angle have a significant effect on the drilling specific energy. The results of this study can be successfully used to estimate mechanical properties and to predict specific energy and coring drilling performance in different geological conditions.
خواص مکانيکي، انرژي مخصوص و راندمان حفاري سنگها، متأثر از پديده ناهمسانگردي است. ناهمسانگردي، يا به دليل وجود ناپيوستگي و يا به دليل تغييرات اندازه، شکل و موقعيت قرارگيري دانه هاي کاني در سنگ مي باشد. پيش بيني انرژي مخصوص و نرخ نفوذ حفاري چرخشي، يک گام ضروري در طراحي پروژه هاي حفاري اکتشافي و ارزيابي زمان و راندمان حفاري است. تحقيقات انجام شده در اين رساله را مي توان به سه بخش کلي طبقه بندي کرد. در هر يک از اين بخش ها، تأثير ناپيوستگي، قطر و نيز اندازه دانه بندي نمونه بر روي خواص مکانيکي، انرژي مخصوص و نرخ نفوذ حفاري مغزه گيري مطالعه شده است. در بخش اول اين رساله، با استفاده از مدلهاي تأثير اندازه نمونه، تأثير قطر نمونه روي مقاومت فشاري تک محوره 114 نمونه سنگي و 84 نمونه بتني بررسي شده است. نتايج مطالعات اين بخش نشان داد، پيش بيني مدل هاي تأثير اندازه نمونه، وابسته به نحوه آماده سازي و ناهمسانگردي نمونه ها است. در سنگ هاي آذرين، دو مدل تأثير اندازه نمونه مولتي فراکتال و تأثير اندازه نمونه با استفاده از انرژي شکست و در سنگ هاي رسوبي، مدل تأثير اندازه نمونه با استفاده از نظريه شکست، همبستگي بهتري با نتايج آزمايش هاي آزمايشگاهي در قطرهاي مختلف نشان دادند. در نمونه هاي بتني، در قطرهاي کوچک، مدل هوک و براون و در قطرهاي بزرگ، مدل مولتي فراکتال، همبستگي بهتري با نتايج آزمايشگاهي نشان دادند. نتايج اين بخش، مي تواند براي طراحي پروژه هاي مهندسي در سنگ در مقياس هاي مختلف، همچون مخازن ذخيره سازي نفت و گاز، نيروگاه هاي زيرزميني و مخازن دفن زباله هاي راديواکتيو استفاده شود. در بخش دوم، تأثير ناهمسانگردي روي نرخ نفوذ 91 متر حفاري اکتشافي انجام شده در ايالت وايومينگ آمريکا، بررسي شده است. در اين بخش، از ترکيب دو مدل آماري غيرخطي و شبکه عصبي مصنوعي براي تخمين راندمان حفاري استفاده شده است. نتايج تحليل هاي آماري غيرخطي نشان داد، چهار پارامتر تردي، RQD، رطوبت و شاخص ناهمسانگردي، همبستگي بهتري با نرخ نفوذ حفاري دارند. اما مقادير ضريب تعيين مدل هاي آماري غيرخطي مطالعه شده، پايين هستند. بدين دليل، مدل هاي آماري غيرخطي با استفاده از تکنيک شبکه عصبي پرسپترون چند لايه و با استفاده از نرم افزار MATLAB، توسعه داده شدند. نتايج مطالعات اين بخش نشان داد، شبکه عصبي، ابزار مفيدي براي حداقل کردن عدم قطعيت ها در پروژه هاي حفاري است. در بخش سوم، با استفاده از مدلسازي فيزيکي و روشهاي آماري، تأثير ابعاد دانه بندي، زاويه ناپيوستگي و قطر نمونه، روي خواص مکانيکي، نرخ نفوذ و انرژي مخصوص حفاري مغزه گيري بررسي شد. همچنين مدل هاي جديدي براي پيش بيني راندمان و انرژي مخصوص حفاري ارائه شد. به منظور اندازه گيري مستقيم انرژي مخصوص حفاري، دستگاه مغزه گير اتوماتيک آزمايشگاهي با قابليت تعيين بار لحظه اي و متوسط روي مته و انرژي مخصوص حفاري طراحي و ساخته شد. در اين بخش، با استفاده از مدلسازي فيزيکي، 10 بلوک بتني با ابعاد 50 50 50، با سه زاويه 30، 45 و 60 درجه و با سه دانه بندي 5/9-0، 5/12-0 و 19-0 ميليمتر ساخته شد. بلوک هاي بتني، با استفاده از دستگاه مغزه گير اتوماتيک ساخته شده، با سه قطر 52، 76 و 102 ميليمتر و با طول 50 سانتيمتر حفاري شدند. بررسي نتايج 86 متر حفاري انجام شده (172 مغزه حفاري شده و 688 نمونه آماده شده) و 124 آزمايش فشاري تک محوره سروکنترل نشان داد، با افزايش زاويه ناپيوستگي از زاويه 30 تا 60 درجه، نيروي روي مته و انرژي مخصوص حفاري، افزايش و نرخ نفوذ حفاري، مقاومت فشاري تک محوره و مدول الاستيسيته، کاهش مي يابد. همچنين در قطرهاي پائين حفاري، مقادير انرژي مخصوص محاسبه شده از روابط تيل، مور و وانگ، با مقادير انرژي مخصوص واقعي اندازه گيري شده، همبستگي خوبي نشان دادند. نتايج تحليل حساسيت نشان داد، سه پارامتر RQD، تردي و زاويه صفحه ناپيوستگي، تأثير قابل توجهي روي انرژي مخصوص حفاري دارند.