Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Behnia
محمود بهنیا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamed Abdollahi rostami
حامد عبداللهی رستمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Numerical and experimental study of the effect of anisotropy on the rock fracture toughness under modes I and II
In order to optimum utilization of low permeability oil and gas reservoirs, artificial cracks should be made in rock by using the hydraulic fracturing process. The fracture toughness is the material's resistance against crack propagation, which is a critical mechanical parameter to control hydraulic fracturing. Although fracture toughness is an inherent property of rocks, some factors such as rock anisotropy, the geometric properties of specimens in the laboratory scale, the temperature and loading conditions can affect the fracture toughness magnitude. As far as the anisotropy is the most important property of rocks in reservoirs, which exists in many sedimentary, metamorphic and igneous rocks, this study has focused on the effect of anisotropy on fracture toughness magnitudes in anisotropic schist and phyllite rocks. This research consists of numerical modelings and laboratory tests on SCB specimens. The numerical modeling results represented that the fracture toughness in anisotropic specimens not only depends on anisotropy angle but also it depends on two dimensionless parameters, including Young's modulus anisotropic ratio and apparent shear modulus anisotropic ratio. Furthermore, for various anisotropy angles, the magnitudes of the geometry factors of pure modes I and II (YII and YI) are different in a way that YI decreases with the increase in anisotropy angle. The laboratory studies showed that the lowest and highest fracture toughness magnitudes were achieved for anisotropy angles of 0° and 45°, respectively. Also, the crack propagation path was studied and it revealed that for specimens which were examined for producing pure mode I, just the beginning of crack propagation path was affected by anisotropic layers, but for the specimens with notch angle of higher than zero to produce mode II and mixed-mode, the majority of crack propagation path was affected by anisotropic layers. Furthermore, in order to predict fracture, three fracture envelopes, including linear, quadratic, and elliptic, were fitted on experimental data, and a quadratic fracture envelope was drawn on numerical data. The results showed that the linear envelope was the most conservative envelope compared with others.
به منظور بهره‌برداری بهینه از مخازن نفت و گاز با نفوذپذیری پایین نیاز است تا با استفاده از شکست هیدرولیکی، ترک‌های مصنوعی در سنگ ایجاد کنیم. چقرمگی شکست، مقاومت ماده در برابر رشد ترک می‌باشد که یک پارامتر کلیدی مکانیکی برای کنترل فرآیند توسعه شکست هیدرولیکی می‌باشد. اگرچه چقرمگی شکست به عنوان یک خاصیت ذاتی ماده سنگ می‌باشد اما برخی فاکتورها مثل ناهمسانگردی سنگ، خواص هندسی نمونه‌ها در مقیاس آزمایشگاهی، دما و شرایط بارگذاری می‌توانند بر مقدار چقرمگی شکست تاثیر بگذارند. از آنجایی که ناهمسانگردی مهمترین ویژگی سنگ دربرگیرنده این مخازن می باشد و از طرفی در بسیاری از سنگ‌های دگرگونی، رسوبی و حتی آذرین وجود دارد، در این پژوهش به بررسی تاثیر ناهمسانگردی در سنگ ناهمسانگرد شیست و فیلیت بر چقرمگی شکست پرداخته شده است. این مطالعه در دو بخش عددی و آزمایشگاهی بر روی نمونه SCB انجام شده است. مطالعه عددی نشان داد چقرمگی شکست در نمونه‌های ناهمسانگرد علاوه بر زاویه ناهمسانگردی به دو پارامتر بی‌بعد "نسبت ناهمسانگردی مدول یانگ" و "نسبت ناهمسانگردی مدول برشی ظاهری" بستگی دارد. همچنین برای زوایای ناهمسانگردی‌های متفاوت، مقادیر ضرایب شکل مود خالص I و II (YI و YII) متفاوت می‌باشند به گونه‌ای که YI با افزایش زاویه ناهمسانگردی، کاهش می‌یابد. در بخش آزمایشگاهی مشخص شد به ترتیب کمترین و بیشترین مقدار چقرمگی شکست مربوط به زاویه ناهمسانگردی صفر و چهل و پنج درجه می‌‌باشد. در این مطالعه مسیر گسترش ترک نیز بررسی شد و مشخص شد نمونه‌هایی که جهت تولید مود I خالص مورد آزمایش قرار گرفتند، ابتدای مسیر رشد ترک در آن‌ها متاثر از صفحات ناهمسانگردی می باشد؛ اما برای نمونه‌هایی که زاویه شکاف بیشتر از صفر بوده تا شکستگی مود دو و ترکیبی را ایجاد کند، غالب مسیر گسترش ترک متاثر از صفحات ناهمسانگردی می باشد. به منظور پیشبینی شکست، سه پوش شکست خطی، کوادراتیک و بیضی بر داده‌های تجربی و یک پوش شکست کوادراتیک نیز بر داده‌های عددی رسم شده است. نتایج نشان داد پوش خطی نسبت به دیگر پوش‌ها محافظه‌کارانه‌تر است

ارتقاء امنیت وب با وف بومی