SUPERVISOR
Mahmoud Behnia
محمود بهنيا (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Mohamadi
امير محمدي
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 بررسي سازه¬هاي مهندسي بر سنگ و در سنگ از اهميت بالايي برخوردار است؛ چرا که به منظور طراحي فضا و تحليل پايداري آن عاملي کليدي است. روش¬هاي متعددي براي تخمين تنش برجا پيشنهاد شده که يکي از مهم¬ترين آن¬ها روش شکست هيدروليکي است. تحليل و تعيين مقادير تنش اصلي در اين آزمايش با استفاده از رويکرد کلاسيک ميسر بوده که ترک و ميکروترک موجود در سنگ را ناديده مي¬گيرد. از آنجايي که سنگ¬ها داراي سطوح ضعف و نقص از جمله ترک¬ها هستند، استفاده از رويکرد مکانيک شکست براي تخمين تنش برجا مطرح شده است. در اين پژوهش با استفاده از چهار روش تحليلي ارائه شده به همراه مدل¬سازي عددي با روش ناپيوستگي-جابجايي به کمک رويکرد مکانيک شکست، مقادير تنش اصلي تعيين و عوامل موثر بر آن بررسي شد. يکي از پارامترهاي مهم در تعيين تنش برجا با استفاده از رويکرد مکانيک شکست، تخمين طول ترک است. در اين بررسي با استفاده از روش ديداري در سه مقياس ماکرو، ميلي و ميکرو، روش تحليلي رومل و وينتر (1982)، روش آناليز برگشتي به کمک روابط زِنگ و همکاران (2019)، و بررسي برخي پژوهش¬هاي صورت گرفته به تخمين طول ترک و سطوح ضعف مانند ادخال¬هاي درون سنگ پرداخته شد. بازه تغييرات طول ترک در اين سايت 1/0- 7/15 ميلي¬متر تخمين و محاسبات بر اين اساس و همچنين بر اساس طول ترک حاصل از ميانگين چقرمگي شکست سايت (طول 4 ميلي¬متر) انجام گرفت. نتايج نشان داد در برخي موارد، تنش تخميني به روش مکانيک شکست با مقادير تنش کلاسيک يکي بوده و در اکثر موارد، نتايج تنش مکانيک شکست مقدار بيش¬تري از مقادير تنش در روش کلاسيک را نشان مي¬دهد. لازم به ذکر است تنش¬هاي تخميني به روش مدل¬سازي عددي، نزديک¬ترين مقادير به تنش¬هاي تخميني در رويکرد کلاسيک هستند. همچنين مقادير تنش به روش¬هاي ابوسيد و همکاران، خسروي و همکاران، و زِنگ و همکاران نتايج با تطابق بالايي در تخمين مقادير تنش افقي حداکثر سايت آزاد نشان دادند. علاوه بر اين، روش ابوسيد و همکاران، بازه تغييرات تنش افقي حداکثر کمتري نسبت به تغييرات طول ترک در مقايسه با ساير روش¬ها نشان داد که نشان دهنده قابليت اعتماد بالا به اين روش است. روش رومل و وينتر، مقادير تنش بالاتري نسبت به ساير روش¬ها نشان داد که نشان دهنده محافظه کار عمل کردن اين روش نسبت به ساير روش¬هاي مکانيک شکست و کلاسيک است. در حالت کلي، با در نظر گرفتن مقدار ميانگين فشار شکست و تنش افقي حداقل ساختگاه آزاد، آناليز حساسيت نشان داد که با در نظر گرفتن بازه¬اي مشخص از تغييرات طول اوليه ترک براي ساختگاه مد نظر، رويکرد مکانيک شکست براي تخمين تنش برجا قابل استفاده است. در هيچ يک از روش¬هاي تحليلي ذکر شده، توزيع سيال داخل ترک و تغيير زاويه رشد ترک نسبت جهت تنش افقي حداکثر با هم بررسي نشده، در صورتي که مدل عددي توسعه داده شده قابليت در نظر گرفت اين دو پارامتر به طور هم ¬زمان را دارد که به تخمين بهتر تنش¬هاي برجا منتج شده است. قابل ذکر است که تغيير توزيع فشار سيال داخل ترک بر روي تنش افقي حداکثر تعيين شده موثر بوده و مي¬تواند مقدار تنش تخميني از حالت توزيع سيال ثابت به ترک بدون سيال را تا دو برابر افزايش دهد. همچنين تغيير زاويه آغاز ترک، تاثير بسزايي در تخمين تنش برجا از خود نشان داد. مقادير تنش افقي حداکثر برجا در سايت آزاد، در رويکرد کلاسيک 1/12-17 مگاپاسکال و در رويکرد مکانيک شکست 4/10- 8/25 مگاپاسکال است که بازه تغييرات تنش به روش کلاسيک را نيز شامل مي¬شود.