بخشی از مقاله
چکیده:
تعیین مقاومت تک محوره محصور نشده - UCS - به عنوان یکی از پارامترهای مکانیکی سنگ، در بسیاری از پروژههای مهندسی کاربردیاست. در برخی از پروژههای مهندسی نظیر حفر چاه جهت استخراج مواد هیدروکربنی بهدلیل عمق زیاد حفاری، محدودیتهایی جهت اخذ نمونه مناسب برای تعیین مقاومت فشاری تک محوری وجود دارد.
از طرفی تعیین این پارامتر به منظور آنالیز پایداری جدار چاه و برنامههای توسعه چاه لازم و ضروری است. در این مقاله به منظور توسعه روابط تجربی بین مقاومت فشاری تک محوری سنگ و مقاومت خرده ذرات، تعداد 7 نمونه سنگ آهک میکرایتی از رخنمونهای سازند آسماری تهیه شده و پس از انجام آزمایش فشاری تک محوری و تعیین مقادیر UCS، نمونههای مذکور خرد گردیده و 420 نمونه به عنوان خردههای حفاری آمادهسازی شده است.
با توجه به تاثیر شکل خردهها بر مقاومت آنها، کلیه خردههای مطالعه شده به شکل کروی در آورده شده است و به منظور مطالعه اثر اندازه خرده بر مقاومت آنها مطالعه بر روی خردهها، با قطرهای 2، 3 و 4 میلیمتر انجام شده است. با استفاده از دستگاه بارگذاری بر خرده ذرات مجزا، مقاومت فشاری تک ذره - SCS - خردههای حفاری تعیین و همبستگی مقادیر به دست آمده با USC مورد بررسی قرار گرفته است. ضریب همبستگی بین UCS و SCS در حالتهای مختلف بیشتر از 0/91 بوده که نشان دهنده همبستگی قابل قبول این دو پارامتر با هم میباشد. ارزیابی صحت نتایج به دست آمده حاکی از آن است که مقادیر USC تخمین زده شده بیش از 80 درصد با مقادیر اندازهگیری شده مشابهت دارند.
مقدمه :
تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ با استفاده از خردههای حفاری در صورت عدم دسترسی به مغزه حفاری و یا بلوک سنگی میتواند به عنوان یک روش غیر مستقیم جایگزین در تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ در نظر گرفته شود. مقاومت فشاری تک محوره محصور نشده - UCS - به عنوان یکی از پارامترهای مکانیکی سنگ جهت ارزیابی مقاومت جداره چاه نفت در زمان حفاری از اهمیت ویژهای برخوردار است. در حین عملیات حفاری مقاومت فشاری تک محوره محصور نشده از سایر عوامل تأثیر گذار بر مقاومت جداره چاه همانند جهت، شیب، مدت زمان حفاری و وزن گل حفاری تأثیرگذارتر است
از طرفی استفاده از خردههای حفاری جهت ارزیابی مقاومت سنگهای حفاری شده، همزمان با عملیات حفاری و تعیین پارامترهای مقاومتی مصالح حفاری شده، جهت ارزیابی عملکرد و تعیین جنس سرمته حفاری مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از این رو ابداع و به کارگیری روشهای جدید آزمایشگاهی با ویژگیهایی از جمله قابلیت ارزیابی پارامترهای مقاومتی مصالح حفاری شده با استفاده از خردههای حفاری و همزمان با عملیات حفاری، سادگی آزمایشها و در عین حال سرعت بالای آمادهسازی نمونهها و نتایج قابل قبول و نزدیک به واقعیت، در این زمینه ضروری است. در سالهای اخیر آزمایشهای جدیدی جهت بررسی پارامترهای فیزیکی و مکانیکی سنگ پیشنهاد شده است. بخشی از این آزمایشها در زمینهی بررسی پارامترهای مقاومتی سنگ و با هدف تعیین مقاومت تک محوری سنگ بکر با استفاده از روشهای غیر مستقیم بوده است.
در این میان میتوان به آزمایشهای شاخص پانچ بلوکی - Sulukcu & Ulusay, 2001 - 1، آزمایش فشارنده مغزهIsik Yilmaz, - 2 - 2009 و آزمایش نفوذ میخ3 در بلوک سنگی - LeventSelcuk & Kamil Kayabali, 2009 - اشاره داشت.
با توجه به این که آزمایشهای فوق از جمله روشهای غیر مستقیم در ارزیابی مقاومت تک محوری سنگ بکر هستند، ولی به حجم نسبتاً بالایی از نمونهها نیازمندند. تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ با استفاده از خرده ذرات سنگی در صورت عدم دسترسی به مغزه حفاری و یا بلوک سنگی میتواند به عنوان یک روش غیر مستقیم جایگزین در تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ در نظر گرفته شود. استفاده از خردههای حفاری در تعیین پارامترهای مقاومتی سنگ در حفاریهای عمیق چاههای نفت، در حین حفاری و قبل از بالا کشیدن مغزههای حفاری، تعیین پارامترهای مقاومتی مصالح خرده سنگی و سنگهای تزئینی بدون نیاز به مغزهگیری، ارزیابی سختی سازندهای موجود در مسیر دستگاههای حفاری در حین حفاری را به عنوان برخی از جنبههای کاربردی این آزمایش میتوان ذکر کرد.
به منظور ارزیابی مقاومت خرده ذرات در این مقاله، آزمایش بارگذاری استاتیک بر خرده ذرات مجزا به کار گرفته شده است. مقاومت 420 خرده سنگ به عنوان خردههای حفاری مربوط به هفت نمونه از رخنمونهای آهک میکرایتی سازند آسماری با استفاده از آزمایش بارگذاری بر خرده ذارت مجزا تعیین شده است. جهت بررسی اثر اندازه خرده ذرات بر نتایج و روابط به دست آمده، مقاومت خرده ذرات در اندازههای 2 ، 3 و 4 میلیمتری با هم مقایسه شده است. نتایج به دست آمده از آزمایش بارگذاری برخرده ذرات مجزا با آزمایش بارگذاری فشاری تک محوری مقایسه و روابط همبستگی مربوطه، ارائه شده است.
تهیه و آمادهسازی نمونههای آزمایشگاهی:
تعداد هفت نمونه سنگ آهک میکرایتی از رخنمونهای سازند آسماری انتخاب شده و به صورت بلوکهای سنگی در ابعاد تقریبی 20 در 20 در 40 سانتیمتر، جهت آماده سازی به محل آزمایشگاه انتقال داده شده است. محل نمونههای انتخاب شده در شکل 1 نشان داده شده است. مغزههای سنگی مطابق استاندارد 4 ISRM آماده سازی شدهاست و از میان مغزههای تهیه شده نمونههایی که دارای شکستگیهای جزئی بودند حذف و تنها نمونههای کاملا بکر به منظور انجام آزمایش فشاری تک محوری انتخاب شدند.
شکل -1 محل برداشت نمونههای انتخابی از رخنمونهای سازند آسماری. نمونههای S-1، S-2 و S-4 از معدن گل پنبه خرم آباد، S-3 و S-5 از روستای مشگر خرم آباد، S-6 از سد ابوالعباس و S-7 از سد صیدون تهیه شدهاند.
حداقل تعداد نمونههای آهکی مورد نیاز جهت انجام یک آزمایش علمی معتبر بر اساس راوبط کاهش نمونهها - - Denis E . Gill et al ., 2005 در آزمایش بارگذاری بر خرده ذرات مجزا، 17 عدد تخمین زده شده است - احمدی و همکاران، . - 1390 بنابراین از هر نمونه سنگ آهک میکرایتی 20 عدد نمونه اصلاح شده در اندازههای 2 ، 3 و 4 میلیمتری تهیه شدند تا علاوه بر بررسی همبستگی مقاومت فشاری تک محوری و آزمایش بارگذاری بر خرده ذرات مجزا، اثر اندازه خرده ذرات نیز مورد بررسی قرار گیرد.
عواملی همچون گوشهداری و عدم مشابهت هندسه ذرات آزمایشی و در نتیجه، عدم مشابهت مکانیسم توزیع تنش القایی مربوط به بار اعمالی در خرده ذرات مجزا، باعث پراکندگی نتایج به دست آمده از آزمایش بارگذاری بر خرده ذرات مجزا میشوند
بنابراین به منظور حذف اثر پارامتر شکل دانه، نمونههای مربوطه به گونهای اصلاح شدند که دارای حداکثر کرویت و گردشدگی باشند. در این صورت همشکلی خرده ذرات آزمایشی از طرفی باعث تشابه شرایط القای تنش، و از طرف دیگر باعث افزایش تکرار پذیری نتایج به دست آمده خواهد شد.
در شکل -2الف تعدادی از نمونههای اصلاح شده که در این تحقیق مورد آزمایش قرار گرفتهاند نشان داده شده است و در شکل -2 ب نمودار کرومباین واسلاس - Krumbein - and Sloss, 1963 که الگویی برای کمی کردن متغیرهای شکل دانه است، ارائه شدهاست. خرده ذرات آرمایش شده در بخش نشان داده شده در شکل-2ب قرار میگیرند و دارای حداکثر کرویت و گردشدگی میباشند. مشخصات مربوط به نمونههای آزمایشگاهی آماده شده در جدول 1 ارائه شده است.
