SUPERVISOR
Mahmoud Behnia
محمود بهنیا (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Mohamadi
امیر محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
In situ stresses estimation of hydraulic fracturing test result by fracture mechanics approach (A case study of Azad pumped-storage power plant)
The recognition of principal stresses in an analysis of engineering constructions which are built on rocks or inside them is essential to the design of structures and their stability analysis. Various methods are suggested due to in-situ stresses determination, and one of the most essential methods is Hydraulic Fracturing (HF), which can be performed in the boreholes. The classical approach is used due to the analysis and determination of the principal in-situ stresses. However, this approach ignores defects such as pre-existing micro-cracks and cracks which exist inside different rocks. Therefore, the fracture mechanics approach was mentioned as an alternative for in-situ stress estimation. In this research, influential parameters on the fracture mechanics approach and stress estimation are analyzed by four analytical methods, which were presented by researchers, and an extended numerical code based on the Displacement Discontinuity Method (DDM). Pre-existing crack length is one of the most important fracture mechanics parameters, which has a major impact on stress determination. In this research, the length of pre-existing cracks was determined by the visual iection method in three micro, millimeter, and macro scales, and also with Rummel and Winter analytical method (1982), the back-analysis method of Zeng et al. and some experiments done by researchers. The length of pre-existing cracks for Azad Pumped Storage Power Plant () differs from 0.1-15.7 mm, and the deterministic length was assumed 4 mm, which was determined by Rummel and Winter method. The results showed that the stress magnitudes of the fracture mechanics approach were the same as the magnitudes of the classical approach. However, they were often more than that of the classic results. The stress results of the numerical method were closest to the classic stress results compared with other fracture mechanics methods. Besides, Abou-Sayed et al., Khosravi et al., and Zeng et al. maximum horizontal stress magnitudes of Azad site were in good agreement with each other. Abou-Sayed’s method showed lower changes in maximum horizontal stress magnitudes as the pre-existing crack length decreased, compared with other fracture mechanics methods, which showed high reliability of this method. The stress magnitudes of Rummel and Winter method were higher than all other methods, and therefore, it is a conservative method in stress estimations. Sensitivity analysis showed that the fracture mechanics approach is eligible to be used for stress determinations during a specific range of estimated pre-existing cracks length. The extended numerical code considers both crack inclination angle and fluid pressure distribution along the crack length, which resulted in a better estimation of maximum horizontal stress magnitudes. The pressure distribution along cracks was an effective item on stress magnitudes and stresses can be doubled. Finally, the maximum horizontal stresses of Azad site varied between 12.1-17 MPa with the classic approach, although the fracture mechanics approach stresses changed between 10.4-25.8 MPa, which covers classic stress magnitude
شناخت مقدار و جهت تنش¬ها در بررسی سازه¬های مهندسی بر سنگ و در سنگ از اهمیت بالایی برخوردار است؛ چرا که به منظور طراحی فضا و تحلیل پایداری آن عاملی کلیدی است. روش¬های متعددی برای تخمین تنش برجا پیشنهاد شده که یکی از مهم¬ترین آن¬ها روش شکست هیدرولیکی است. تحلیل و تعیین مقادیر تنش اصلی در این آزمایش با استفاده از رویکرد کلاسیک میسر بوده که ترک و میکروترک موجود در سنگ را نادیده می¬گیرد. از آنجایی که سنگ¬ها دارای سطوح ضعف و نقص از جمله ترک¬ها هستند، استفاده از رویکرد مکانیک شکست برای تخمین تنش برجا مطرح شده است. در این پژوهش با استفاده از چهار روش تحلیلی ارائه شده به همراه مدل¬سازی عددی با روش ناپیوستگی-جابجایی به کمک رویکرد مکانیک شکست، مقادیر تنش اصلی تعیین و عوامل موثر بر آن بررسی شد. یکی از پارامترهای مهم در تعیین تنش برجا با استفاده از رویکرد مکانیک شکست، تخمین طول ترک است. در این بررسی با استفاده از روش دیداری در سه مقیاس ماکرو، میلی و میکرو، روش تحلیلی رومل و وینتر (1982)، روش آنالیز برگشتی به کمک روابط زِنگ و همکاران (2019)، و بررسی برخی پژوهش¬های صورت گرفته به تخمین طول ترک و سطوح ضعف مانند ادخال¬های درون سنگ پرداخته شد. بازه تغییرات طول ترک در این سایت 1/0- 7/15 میلی¬متر تخمین و محاسبات بر این اساس و همچنین بر اساس طول ترک حاصل از میانگین چقرمگی شکست سایت (طول 4 میلی¬متر) انجام گرفت. نتایج نشان داد در برخی موارد، تنش تخمینی به روش مکانیک شکست با مقادیر تنش کلاسیک یکی بوده و در اکثر موارد، نتایج تنش مکانیک شکست مقدار بیش¬تری از مقادیر تنش در روش کلاسیک را نشان می¬دهد. لازم به ذکر است تنش¬های تخمینی به روش مدل¬سازی عددی، نزدیک¬ترین مقادیر به تنش¬های تخمینی در رویکرد کلاسیک هستند. همچنین مقادیر تنش به روش¬های ابوسید و همکاران، خسروی و همکاران، و زِنگ و همکاران نتایج با تطابق بالایی در تخمین مقادیر تنش افقی حداکثر سایت آزاد نشان دادند. علاوه بر این، روش ابوسید و همکاران، بازه تغییرات تنش افقی حداکثر کمتری نسبت به تغییرات طول ترک در مقایسه با سایر روش¬ها نشان داد که نشان دهنده قابلیت اعتماد بالا به این روش است. روش رومل و وینتر، مقادیر تنش بالاتری نسبت به سایر روش¬ها نشان داد که نشان دهنده محافظه کار عمل کردن این روش نسبت به سایر روش¬های مکانیک شکست و کلاسیک است. در حالت کلی، با در نظر گرفتن مقدار میانگین فشار شکست و تنش افقی حداقل ساختگاه آزاد، آنالیز حساسیت نشان داد که با در نظر گرفتن بازه¬ای مشخص از تغییرات طول اولیه ترک برای ساختگاه مد نظر، رویکرد مکانیک شکست برای تخمین تنش برجا قابل استفاده است. در هیچ یک از روش¬های تحلیلی ذکر شده، توزیع سیال داخل ترک و تغییر زاویه رشد ترک نسبت جهت تنش افقی حداکثر با هم بررسی نشده، در صورتی که مدل عددی توسعه داده شده قابلیت در نظر گرفت این دو پارامتر به طور هم ¬زمان را دارد که به تخمین بهتر تنش¬های برجا منتج شده است. قابل ذکر است که تغییر توزیع فشار سیال داخل ترک بر روی تنش افقی حداکثر تعیین شده موثر بوده و می¬تواند مقدار تنش تخمینی از حالت توزیع سیال ثابت به ترک بدون سیال را تا دو برابر افزایش دهد. همچنین تغییر زاویه آغاز ترک، تاثیر بسزایی در تخمین تنش برجا از خود نشان داد. مقادیر تنش افقی حداکثر برجا در سایت آزاد، در رویکرد کلاسیک 1/12-17 مگاپاسکال و در رویکرد مکانیک شکست 4/10- 8/25 مگاپاسکال است که بازه تغییرات تنش به روش کلاسیک را نیز شامل می¬شود.