Skip to main content
SUPERVISOR
Alireza Baghbanan,Hamid Hashemalhosseini
علیرضا باغبانان (استاد راهنما) حمید هاشم الحسینی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sajjad Kalantari
سجاد کلانتری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده معدن
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Estimating Rock Strength Parameters Using Drilling Data (Analytical and Experimental Methods)
Determining of rock strength parameters such as cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength using suggested standard methods are costly and time consuming mainly due to difficult sample preparation and destructive procedure. Estimating rock strength parameters using operational drilling data can be a fast and reliable method. In this case, several researchers have proposed different experimental and analytical methods. The experimental methods are based on the measurement of the required thrust force during drilling under constant speed of rotation and rate of penetration as drilling resistance. The amount of the drilling resistance is correlated with the uniaxial compressive strength of a rock. The analytical methods have proposed models based on force or energy equilibrium methods. Most of the previus suggested models try to predict the uniaxial compressive strength based on interaction between a bit and rock especially in rotary drilling process. In order to increase the accuracy of drilling technique and also to investigate the effects of important parameters on the results, it is necessary to consider several factors of interaction between the bit and rock in the model. Therefore, attempts have been made to introduce deciding parameters of the drilling process, such as crushed zone, contact friction between the rock and crushed zone, contact friction between the bit and crushed zone and contact friction between the bit and rock in a new developed model based on limit equilibrium of forces approach. In this model beside the uniaxial compressive strength of rock, cohesion and internal friction angle of rock are also estimated. The new model provides an analytical relationship between the rock strength parameters, bit geometry and operational drilling parameters such as thrust force, torque, rate of penetration and speed of rotation. To estimate required parameters for developed analytical model a portable drilling machine was developed and used. The portable drilling machine allows for drilling tests on site as well as on rock samples. Rock types with different range of strength from weak and medium to hard were examined, and the obtained results were compared with the results of standard laboratory tests. The drilling experiments show that the results of the proposed model are in good agreement with the results of standard laboratory tests. In addition, unlike previous models, it is possible to estimate rock strength parameters only using a blunt bit, which the bit bluntness and its diameter does not affect the estimated results. Due to the small dimensions of the drilling, this technique can be considered as a non-destructive method
تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ همچون چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت فشاری تک محوره با استفاده از روش‌های استاندارد مرسوم از جهت آماده سازی نمونه و فرآیند مخرب آن پرهزینه و زمان‌بر می‌باشد. برآورد پارامترهای مقاومتی سنگ با استفاده از داده‌های عملیاتی حفاری می‌تواند یک روش مطمئن و سریع باشد. در این رابطه محققان مختلفی روش‌های تجربی و تحلیلی متعددی ارائه کرده‌اند. روش‌های تجربی بر پایه اندازه‌گیری مقدار نیروی بار پشت مته لازم جهت نفوذ در سنگ به عنوان مقاومت حفاری تحت شرایط حفاری با سرعت چرخش و نرخ نفوذ ثابت می‌باشد که بین مقاومت حفاری و مقاومت فشاری تک محوره سنگ همبستگی ایجاد می‌شود. روش‌های تحلیلی مدل‌هایی مبتنی بر تعادل حدی نیروها و یا مبتنی بر تعادل انرژی در فرآیند حفاری ارائه کرده‌اند. بیشتر آنها با هدف بررسی اندرکنش بین مته و سنگ در فرآیند حفاری بوده است که در این راستا روش‌هایی نیز جهت برآورد مقاومت فشاری تک محوره سنگ ارائه شده است. بیشتر این روش‌ها در سیستم حفاری چرخشی می‌باشند. این مدل‌ها پارامترهایی از اندرکنش بین مته و سنگ در فرآیند حفاری و هندسه مته را بکار گرفته و روابطی ارائه کرده‌اند. بمنظور افزایش کارآیی این تکنیک و همچنین بررسی نقش و تأثیر برخی از پارامترهای مؤثر بر نتایج برآورد شده ضرورت دارد که عوامل متعددی از اندرکنش بین مته و سنگ در فرآیند حفاری در نظر گرفته شود. از این رو در این رساله تلاش شده است با وارد کردن پارامترهای بیشتری از فرآیند حفاری همچون تأثیر زون خرد شده، اصطکاک تماسی بین سنگ و زون خرد شده، اصطکاک تماسی بین مته و زون خرد شده و اصطکاک تماسی بین مته و سنگ، مدل تحلیلی جدیدی مبتنی بر تعادل حدی نیروها در فرآیند حفاری ارائه شود. به کمک این مدل روشی جهت برآورد پارامترهای مقاومتی سنگ از داده‌های حفاری ارائه می‌شود. در این روش علاوه بر برآورد مقاومت فشاری تک محوره سنگ از داده‌های عملیاتی حفاری که در بیشتر مدل‌های قبلی مورد توجه بوده است، پارامترهای چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی سنگ نیز برآورد می‌شود. جهت بررسی کارائی مدل و انجام آزمایش‌های حفاری، دستگاه حفاری با قابلیت حفاری و اندازه‌گیری داده‌های حفاری طراحی و ساخته شد. این دستگاه قابل حمل بوده و امکان انجام آزمایش‌های حفاری در محل و همچنین بر روی نمونه‌های سنگی را فراهم می‌کند. آزمایش‌های حفاری که توسط این دستگاه بر روی سه دامنه مقاومتی ضعیف، متوسط و سخت از سنگ‌ها انجام شد، نشان می‌دهد که نتایج بدست آمده از مدل ارائه شده همسویی خوبی با نتایج آزمون‌های استاندارد آزمایشگاهی دارد. مزیت اصلی این روش علاوه بر برآورد پارامترهای مقاومتی بیشتری از سنگ، ارائه روابط تحلیلی روشن بین پارامترهای مقاومتی سنگ، پارامترهای هندسی مته و پارامترهای عملیاتی حفاری همچون نیروی بار پشت مته، گشتاور، نرخ نفوذ و سرعت چرخش مته می‌باشد که تأثیر برخی از این پارامترها بر روی نتایج برآورد شده آشکار می‌شود. همچنین برخلاف مدل‌های قبلی امکان برآورد پارامترهای مقاومتی سنگ تنها با حفاری توسط یک مته کند فراهم می‌شود که میزان کندی مته و قطر آن تأثیری بر نتایج برآورد شده ندارد. این روش بدلیل کوچک بودن ابعاد حفاری توسط دستگاه ساخته شده، می‌تواند بعنوان یک روش غیر مخرب جهت برآورد پارامترهای مقاومتی سنگ محسوب شود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی