Skip to main content
SUPERVISOR
Alireza Baghbanan,Hamid Hashemalhosseini
عليرضا باغبانان (استاد راهنما) حميد هاشم الحسيني (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sajjad Kalantari
سجاد کلانتري

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
تعيين پارامترهاي مقاومتي سنگ همچون چسبندگي، زاويه اصطکاک داخلي و مقاومت فشاري تک محوره با استفاده از روش‌هاي استاندارد مرسوم از جهت آماده سازي نمونه و فرآيند مخرب آن پرهزينه و زمان‌بر مي‌باشد. برآورد پارامترهاي مقاومتي سنگ با استفاده از داده‌هاي عملياتي حفاري مي‌تواند يک روش مطمئن و سريع باشد. در اين رابطه محققان مختلفي روش‌هاي تجربي و تحليلي متعددي ارائه کرده‌اند. روش‌هاي تجربي بر پايه اندازه‌گيري مقدار نيروي بار پشت مته لازم جهت نفوذ در سنگ به عنوان مقاومت حفاري تحت شرايط حفاري با سرعت چرخش و نرخ نفوذ ثابت مي‌باشد که بين مقاومت حفاري و مقاومت فشاري تک محوره سنگ همبستگي ايجاد مي‌شود. روش‌هاي تحليلي مدل‌هايي مبتني بر تعادل حدي نيروها و يا مبتني بر تعادل انرژي در فرآيند حفاري ارائه کرده‌اند. بيشتر آنها با هدف بررسي اندرکنش بين مته و سنگ در فرآيند حفاري بوده است که در اين راستا روش‌هايي نيز جهت برآورد مقاومت فشاري تک محوره سنگ ارائه شده است. بيشتر اين روش‌ها در سيستم حفاري چرخشي مي‌باشند. اين مدل‌ها پارامترهايي از اندرکنش بين مته و سنگ در فرآيند حفاري و هندسه مته را بکار گرفته و روابطي ارائه کرده‌اند. بمنظور افزايش کارآيي اين تکنيک و همچنين بررسي نقش و تأثير برخي از پارامترهاي مؤثر بر نتايج برآورد شده ضرورت دارد که عوامل متعددي از اندرکنش بين مته و سنگ در فرآيند حفاري در نظر گرفته شود. از اين رو در اين رساله تلاش شده است با وارد کردن پارامترهاي بيشتري از فرآيند حفاري همچون تأثير زون خرد شده، اصطکاک تماسي بين سنگ و زون خرد شده، اصطکاک تماسي بين مته و زون خرد شده و اصطکاک تماسي بين مته و سنگ، مدل تحليلي جديدي مبتني بر تعادل حدي نيروها در فرآيند حفاري ارائه شود. به کمک اين مدل روشي جهت برآورد پارامترهاي مقاومتي سنگ از داده‌هاي حفاري ارائه مي‌شود. در اين روش علاوه بر برآورد مقاومت فشاري تک محوره سنگ از داده‌هاي عملياتي حفاري که در بيشتر مدل‌هاي قبلي مورد توجه بوده است، پارامترهاي چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي سنگ نيز برآورد مي‌شود. جهت بررسي کارائي مدل و انجام آزمايش‌هاي حفاري، دستگاه حفاري با قابليت حفاري و اندازه‌گيري داده‌هاي حفاري طراحي و ساخته شد. اين دستگاه قابل حمل بوده و امکان انجام آزمايش‌هاي حفاري در محل و همچنين بر روي نمونه‌هاي سنگي را فراهم مي‌کند. آزمايش‌هاي حفاري که توسط اين دستگاه بر روي سه دامنه مقاومتي ضعيف، متوسط و سخت از سنگ‌ها انجام شد، نشان مي‌دهد که نتايج بدست آمده از مدل ارائه شده همسويي خوبي با نتايج آزمون‌هاي استاندارد آزمايشگاهي دارد. مزيت اصلي اين روش علاوه بر برآورد پارامترهاي مقاومتي بيشتري از سنگ، ارائه روابط تحليلي روشن بين پارامترهاي مقاومتي سنگ، پارامترهاي هندسي مته و پارامترهاي عملياتي حفاري همچون نيروي بار پشت مته، گشتاور، نرخ نفوذ و سرعت چرخش مته مي‌باشد که تأثير برخي از اين پارامترها بر روي نتايج برآورد شده آشکار مي‌شود. همچنين برخلاف مدل‌هاي قبلي امکان برآورد پارامترهاي مقاومتي سنگ تنها با حفاري توسط يک مته کند فراهم مي‌شود که ميزان کندي مته و قطر آن تأثيري بر نتايج برآورد شده ندارد. اين روش بدليل کوچک بودن ابعاد حفاري توسط دستگاه ساخته شده، مي‌تواند بعنوان يک روش غير مخرب جهت برآورد پارامترهاي مقاومتي سنگ محسوب شود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی