SUPERVISOR
Lohrasb Faramarzi,Seyedhadi Hoseinie
لهراسب فرامرزی (استاد راهنما) سید هادی حسینی (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 مکانیکی، انرژی مخصوص و راندمان حفاری سنگها، متأثر از پدیده ناهمسانگردی است. ناهمسانگردی، یا به دلیل وجود ناپیوستگی و یا به دلیل تغییرات اندازه، شکل و موقعیت قرارگیری دانه های کانی در سنگ می باشد. پیش بینی انرژی مخصوص و نرخ نفوذ حفاری چرخشی، یک گام ضروری در طراحی پروژه های حفاری اکتشافی و ارزیابی زمان و راندمان حفاری است. تحقیقات انجام شده در این رساله را می توان به سه بخش کلی طبقه بندی کرد. در هر یک از این بخش ها، تأثیر ناپیوستگی، قطر و نیز اندازه دانه بندی نمونه بر روی خواص مکانیکی، انرژی مخصوص و نرخ نفوذ حفاری مغزه گیری مطالعه شده است. در بخش اول این رساله، با استفاده از مدلهای تأثیر اندازه نمونه، تأثیر قطر نمونه روی مقاومت فشاری تک محوره 114 نمونه سنگی و 84 نمونه بتنی بررسی شده است. نتایج مطالعات این بخش نشان داد، پیش بینی مدل های تأثیر اندازه نمونه، وابسته به نحوه آماده سازی و ناهمسانگردی نمونه ها است. در سنگ های آذرین، دو مدل تأثیر اندازه نمونه مولتی فراکتال و تأثیر اندازه نمونه با استفاده از انرژی شکست و در سنگ های رسوبی، مدل تأثیر اندازه نمونه با استفاده از نظریه شکست، همبستگی بهتری با نتایج آزمایش های آزمایشگاهی در قطرهای مختلف نشان دادند. در نمونه های بتنی، در قطرهای کوچک، مدل هوک و براون و در قطرهای بزرگ، مدل مولتی فراکتال، همبستگی بهتری با نتایج آزمایشگاهی نشان دادند. نتایج این بخش، می تواند برای طراحی پروژه های مهندسی در سنگ در مقیاس های مختلف، همچون مخازن ذخیره سازی نفت و گاز، نیروگاه های زیرزمینی و مخازن دفن زباله های رادیواکتیو استفاده شود. در بخش دوم، تأثیر ناهمسانگردی روی نرخ نفوذ 91 متر حفاری اکتشافی انجام شده در ایالت وایومینگ آمریکا، بررسی شده است. در این بخش، از ترکیب دو مدل آماری غیرخطی و شبکه عصبی مصنوعی برای تخمین راندمان حفاری استفاده شده است. نتایج تحلیل های آماری غیرخطی نشان داد، چهار پارامتر تردی، RQD، رطوبت و شاخص ناهمسانگردی، همبستگی بهتری با نرخ نفوذ حفاری دارند. اما مقادیر ضریب تعیین مدل های آماری غیرخطی مطالعه شده، پایین هستند. بدین دلیل، مدل های آماری غیرخطی با استفاده از تکنیک شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و با استفاده از نرم افزار MATLAB، توسعه داده شدند. نتایج مطالعات این بخش نشان داد، شبکه عصبی، ابزار مفیدی برای حداقل کردن عدم قطعیت ها در پروژه های حفاری است. در بخش سوم، با استفاده از مدلسازی فیزیکی و روشهای آماری، تأثیر ابعاد دانه بندی، زاویه ناپیوستگی و قطر نمونه، روی خواص مکانیکی، نرخ نفوذ و انرژی مخصوص حفاری مغزه گیری بررسی شد. همچنین مدل های جدیدی برای پیش بینی راندمان و انرژی مخصوص حفاری ارائه شد. به منظور اندازه گیری مستقیم انرژی مخصوص حفاری، دستگاه مغزه گیر اتوماتیک آزمایشگاهی با قابلیت تعیین بار لحظه ای و متوسط روی مته و انرژی مخصوص حفاری طراحی و ساخته شد. در این بخش، با استفاده از مدلسازی فیزیکی، 10 بلوک بتنی با ابعاد 50 50 50، با سه زاویه 30، 45 و 60 درجه و با سه دانه بندی 5/9-0، 5/12-0 و 19-0 میلیمتر ساخته شد. بلوک های بتنی، با استفاده از دستگاه مغزه گیر اتوماتیک ساخته شده، با سه قطر 52، 76 و 102 میلیمتر و با طول 50 سانتیمتر حفاری شدند. بررسی نتایج 86 متر حفاری انجام شده (172 مغزه حفاری شده و 688 نمونه آماده شده) و 124 آزمایش فشاری تک محوره سروکنترل نشان داد، با افزایش زاویه ناپیوستگی از زاویه 30 تا 60 درجه، نیروی روی مته و انرژی مخصوص حفاری، افزایش و نرخ نفوذ حفاری، مقاومت فشاری تک محوره و مدول الاستیسیته، کاهش می یابد. همچنین در قطرهای پائین حفاری، مقادیر انرژی مخصوص محاسبه شده از روابط تیل، مور و وانگ، با مقادیر انرژی مخصوص واقعی اندازه گیری شده، همبستگی خوبی نشان دادند. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد، سه پارامتر RQD، تردی و زاویه صفحه ناپیوستگی، تأثیر قابل توجهی روی انرژی مخصوص حفاری دارند.