نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد نهم، شمارۀ 3 پاییز 4331

تخمین مقاومت فشاری تک محوری سنگ آهک میکرایتی با استفاده از آزمایش نفوذ ابراهیم احمدی ششده ،اکبر چشمی*؛
دانشگاه تهران ،پردیس علوم، دانشکده زمین شناسی
تاريخ: دريافت 43/3/34 پذيرش 3/41/32چکیده
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

تعیین مقاومت فشاری تکمحوری )UCS( سنگ در بیش تر پروژههای مهندسی ضروری است. در حفاری های عمیق برای دست یابی به منابع هیدروکربوری و یا حفاریهای اکتشافی برای تونلهای عمیق تهیۀ نمونۀ مناسب برای اندازهگیری مستقیم UCS مشکل، هزینهبر و گاهی غیرممکن است. بنا بر این استفاده از روشهای غیرمستقیم )نظیر استفاده از خردههای حفاری( برای تخمین UCS متداول شده است. استفاده از نفوذ کننده ای سخت که به داخل خرده سنگ تثبیت شده در یک چسب نگه دارنده نفوذ می کند و به عنوان آزمایش نفوذ4 شناخته میشود، یکی از این روشها است. در این مقاله تعداد 8 نمونه سنگ آهک میکرایتی تهیه و پس از تعیین UCS آن ها در آزمایشگاه، نمونهها خرد و آزمایش نفوذ با نفوذ کنندههایی به قطرهای 6/1، 8/1 و 4 میلی متر روی 021 خرده ذره با اندازههای 2، 3 و 1 میلی متر انجام شده و نیروی انتقال بحرانی )CTF( که معرف مقاومت نهایی خرده ذره در مقابل ورود نفوذکننده به داخل آن است، تعیین شده است. روابط تجربی بین UCS و CTF برای نمونهها و نفوذکننده های با قطرهای مختلف با 0.78 ≥ 2R پیشنهاد شده است. با استفاده از رگرسیون چند متغیره ،رابطهای کلی بین CTF ،UCS، اندازۀ ذرات )D( و قطر نفوذکننده )I( با 0.85R = ارائه شده است. صحت روابط تجربی پیشنهادی با انجام 431 آزمایش نفوذ روی 3 نمونه سنگ آهک میکرایتی و مقایسه UCS اندازهگیری شده در آزمایشگاه با UCS تخمین زده شده ارزیابی شده که شباهت 88% آن ها نشان دهندۀ رواداری روابط تجربی پیشنهادی در تحقیق حاضر است.
1851914196221

واژه های کلیدی: آزمایش نفوذ، مقاومت فشاری تک محوری، نیروی انتقال بحرانی ، خرده حفاری ،
[email protected] نویسنده مسئول *
1. Indentation test

1981
مقدمه
مقاومت فشاری تک محوری سنگ )UCS( از کاربردیترین پارامترهای مکانیکی سنگ است که در طراحیها بیش تر از سایر پارامترها استفاده می شود ]4[. مقاومت فشاری تک محوری سنگ 3 برابر کاربردی تر از دومین پارامتر مهم مکانیک سنگ یعنی مقاومت فشاری سه محوری است ]2[. مقادیر UCS با استفاده از آزمایشهای برجا یا با استفاده از آزمایشهای آزمایشگاهی بر اساس استانداردهای رایج )ASTM, ISRM( تعیین میشود. این آزمایش بر خلاف سادگی فهم و درک منطق آن، به نسبت گرانقیمت و مستلزم صرف وقت زیادی است.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

از مهم ترین محدودیتهایی که این آزمایش با آن روبهروست، محدودیت های موجود در تهیه نمونههای استاندارد به منظور انجام آزمایش است. به منظور تعیین UCS با استفاده از استانداردهای موجود به مغزههای حفاری سالم و با شکل هندسی معین نیاز است. بنا بر این به عنوان راه حل ،در مواردی که تهیۀ نمونههای استاندارد مقدور نیست، محققان به تعیین UCS سنگ با استفاده از روش های غیرمستقیم توجه کرده اند.
آزمایشهای استفاده شده به منظور تعیین غیرمستقیم USC را میتوان به دو دسته تقسیم کرد: دستۀ اول آزمایشهایی است که روی نمونههای بزرگ مقیاس4 )بهعنوان مثال بلوک های سنگی یا مغزههای حفاری( انجام میشوند. در مورد استفاده از نتایج آزمایش هایی نظیر عدد چکش اشمیت2، شاخص بار نقطهای، تعیین سرعت صوت، تخلخل، چگالی، مقاومت کششی و برخی دیگر از آزمایشها به منظور تخمین غیرمستقیم مقاومت فشاری تک محوری سنگ تحقیقات نسبتانسبتاً مفصلی در گذشته انجام شده است ]3[. از دیگر آزمایش هایی که با استفاده از آن ها مقاومت فشاری تک محوری به صورت غیرمستقیم تعیین میشود میتوان به آزمایش پانچ بلوکی3 ]1، 1، 6، 0، 8[، آزمایش پانچ استوانهای1 ]3[، آزمایش فشارندۀ مغزه )CST(+1 ]41[ و آزمایش نفوذ میخ )NPT(6 ]44[ اشاره کرد.
در صورتی که نمونههای بزرگ مقیاس برای آزمایشهای دسته اول موجود نباشد، به منظور ارزیابی پارامترهای مقاومتی سنگ بکر به ناچار از آزمایشهای دستۀ دوم استفاده می شود.

.1 Big-Scale Rock Samples 2. Schmitt آammer 3. Block \unch test
.4 Cylindrical \unch test 5. Core Strangle Test 6. Nail Penetration Test

126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

در این دسته از آزمایشها با استفاده از نمونههای کوچک مقیاس )به عنوان مثال خردههای حفاری( پارامترهای مقاومتی سنگ بکر ارزیابی می شود. بنا بر ادعای سانتارلی و همکاران ]42[، از آن جاکه خردههای حفاری به اندازۀ کافی نمایندۀ سازند و منبعی قابل اطمینان از اطلاعات در مورد رفتار مکانیکی آن ها هستند، مقاومت ذرۀ آزمایش شده میتواند تابعی از مقاومت فشاری تک محوری مغزۀ حفاری مربوط باشد. بنا بر این با استفاده از خرده های سنگی به عنوان نمونههای کوچک مقیاس و تجهیزات آزمایشگاهی مناسب میتوان مقاومت فشاری تک محوری سنگ را به طور غیرمستقیم تخمین زد. از جمله آزمایشهایی که به منظور تخمین مقاومت فشاری تک محوری روی نمونههای کوچک انجام شدند، میتوان به آزمایش بارگذاری مستقیم بر خرده ذرات مجزا چشمی و احمدی ششده ،)4334( ]43[، آزمایش بارگذاری بر مغزه های بازسازی شده از خردههای حفاری4 ]41[، آزمایش ثبت امواج پیوسته در خرده ذرات مجزا2 ]41[ و تعیین غیرمستقیم مقاومت فشاری تک محوری با استفاده از خصوصیات سنگ شناسی ]46[، ]40[ اشاره داشت.
آزمایش نفوذ نیز از روشهایی است که به منظور ارزیابی پارامترهای مقاومتی خردههای حفاری استفاده شده است ]48[. در این آزمایش نفوذکنندهای سخت با میزان کرنش ثابت در خرده ذرات سنگی نفوذ داده شده، ضمن نفوذ پارامترهای مقاومتی سنگ ارزیابی می شود. زاوسا و همکاران ]43[ با استفاده از آزمایش نفوذ، پایداری چاه حفر شده را هم زمان با عملیات حفاری بررسی کردند. رینگاستاد و همکاران ]48[ با استفاده از هم بستگی خطی بین آزمایش نفوذ و مقاومت فشاری تک محوری مربوط به سنگهای مختلف همانند ماسه سنگ شیل و سنگ آهک از سازندهای مختلف و با سختیهای مختلف روابطی ارائه کردند. یوبلدی و همکاران ]21[ پژوهش هایی برای انتخاب خردههای حفاری با آزمایش نفوذ انجام دادند.
ماتئوس و همکاران ]24[ بین مقادیر حاصل از آزمایشهای مقاومت فشاری تک محوری و نفوذ مربوط به نمونههای ماسه سنگی همبستگی بر قرار کردند. در پژوهش های ماتئوس و همکاران

.1 Reconstructed Cores 2. Continuous Wave Technique
1982
به منظور تعیین غیرمستقیم مقاومت فشاری تک محوری سنگ پارامترهای مقاومتی به دست آمده از نمودار نیرو-جابه جایی استفاده شده و نتایج به دست آمده در قالب روابط تجربی 4 و 2 ارائه شده است.
UCS 17.38(IM )

)4(
UCS 91.97CTF

)2(
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

CTF نیروی انتقال بحرانی4 )نیروی ثبت شده تا زمان ورود نفوذکننده به نمونه بر حسب نیوتن( و IM مدول نفوذ2 )شیب نمودار در بخش خطی برحسب نیوتن- میلی متر( است که مطابق شکل 4 از نمودار نیرو جابه جایی مربوط به آزمایش نفوذ به دست میآید.

شکل 2. نمودار شاخص مربوط به آزمايش نفوذ که در آن نحوۀ تعیین پارامترهای مقاومتی )CTF و IM( خرده ذرات آزمايش شده نشان داده شده است ]12[
در تحقیقی مشابه ،گارسیا و همکاران ]22[ روابط تجربی مربوط را با استفاده از هم بستگی بین پارامترهای حاصل از آزمایش نفوذ و آزمایش مقاومت فشاری تک محوری در رابطه با نمونه های شیلی سازند پاجا-کلمبیا3 توسعه دادند. در این تحقیق به منظور برقراری ارتباط بین پارامترهای مقاومتی خردههای حفاری و مقاومت فشاری تک محوری، 211 آزمایش نفوذ روی خرده ذرات سنگی بی شکل شیلی با ابعاد تقریبی 1 میلی متر انجام و روابط تجربی3 و 1
پیشنهاد شد.

1. Critical Transitional Force 2. Indentation Modulus 3. Paja Formation
UCS  0.0005IM 2 3.2847IM 

)3(
UCS 0.0083(CTF)2 33.082CTF

)1(

روش انجام کار
تهیه و آماده سازی نمونههای سنگی
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

با توجه به اهمیت سازند آسماری در صنعت نفت ایران ]23[، ]21[، نمونههای به کار رفته در این تحقیق عمدتاًعمدتا از سنگهای کربناته سازند آسماری انتخاب شده است. بدین منظور 3 بلوک سنگی از رخنمونهای سازند آسماری و 2 بلوک سنگی از رخنمون سازندهای تله زنگ و سروک )با ابعاد تقریبی 11×11×21 سانتی متر( تهیه و به آزمایشگاه انتقال داده شده است. در جدول 4 مشخصات چینهنگاری، پارامترهای فیزیکی و مقاومتی مربوط به نمونههای سنگی ارائه شده است. نمونههای 1-S تا 8-S برای تولید روابط تجربی و نمونههای 9-S تا 11-S به منظور ارزیابی صحت روابط تجربی استفاده شده است.
1043942881122

برای آزمایش مقاومت فشاری تکمحوری از هر بلوک سنگی 1 مغزه سنگی کاملاکاملاً بکر بدون هیچ گونه درزه، ناپیوستگی و شکستگی تهیه شده و بر اساس استاندارد ISRM4 ]21[ برای آزمایش، آماده شدند. به منظور تولید خرده ذرات ،برای انجام آزمایش نفوذ از بخشهای باقی مانده مربوط به مغزههای سنگی استفاده شده است. از آن جاکه در تحقیق حاضر هدف از آزمایش نفوذ علاوه بر بررسی رابطۀ تجربی بین UCS و CTF، بررسی اثر اندازۀ خرده ذرات و قطر نفوذکننده است از این رو، نمونههای مربوط به آزمایش نفوذ، همشکل و به صورت مکعبهای هم بعد در سه اندازه 2 ،3 و 1 میلی متری آمادهسازی شدهاند. بدین منظور ابتدا نمونههای مکعب مستطیلی به ابعاد 21×2×2، 31×3×3 و 11×1×1 میلی متر آماده شده و سپس با استفاده از سنگچین و سوهان به صورت مکعبهای هم بعد چیده و بخشهای ناهموار آن اصلاح و خرده ذرات مکعبی شکل در ابعاد 2، 3 و 1 میلی متری تولید شده است. مراحل آمادهسازی نمونههای خرده سنگی مکعبی در شکل 2 نشان داده شده است. International Society of Rock Mechanics 1.1982
جدول 2. مشخصات چینه نگاری، فیزيکی و مقاومتی نمونههای سنگی برداشت شده
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

نمونههای1-S تا 8-S برای توسعۀ روابط تجربی و نمونههای 9-S تا 11-S به منظور ارزيابی صحت نتايج تجربی ارائه شده به کار رفته اند.

محل نمونه برداری شناسۀ
نمونه سازند سن
زمین شناسی نوع سنگ

درصد تخلخل جرم واحدحجم
(g/cm3) مقاومت فشاریتک محوری
(Mpa)
خرم آباد – گل پنبه S-1
-95935-7680

S-2
S-4 آسماری الیگوسن
دولومیکرایت
2 – 3 2/ 61 202 /81
4< 2/02 262/31
1 – 6 2/63 480/31
خرم آباد – مشگر S-3

S-5 آسماری الیگوسن آهک
میکرایتی 1 – 1 2/64 221/43
2 – 3 2/61 228/41
سد S-6 آسماری الیگوسن آهک مارنی 1 – 1 2/13 31/61
سد ابوالعباسصیدون S-7 آسماری الیگوسن آهک 3 – 42 2/38 31/11
کازرون – دوان S-8

S-9 آسماری الیگوسن آهک میکرایتی
میکرایتی 6 – 0 2/11 411/01
3 – 1 2/61 466/31
آهک پلیوسن تله زنگ 10-S لرستان – چنار 4< 2/01 261/11
آهک کرتاسه سروک 11-S سد 4 < 2/01 211
میکرایتی بختیاری

شکل 1. مراحل آمادهسازی خرده ذرات سنگی مکعبی شکل مربوط به آزمايش نفوذ: الف(
دسته بندی بخشهای باقی مانده از مغزههای اصلاح شده ب( آمادهسازی نمونههای مکعبی شکل با استفاده از سنگچین و اصلاح بخشهای چیده شده، ج( دستهبندی نمونههای مکعبی آماده شده ،د( قالب گیری نمونههای سنگی مکعبی.
به منظور ثابت کردن نمونههای مکعبی آماده شده در حین آزمایش نفوذ، نمونههای مربوط در چسب صنعتی )با نام تجاری 506-ML( قالبگیری شدند. مشخصات چسب مذکور در جدول 2 ارائه شده است.
جدول 1. پارامترهای فیزيکی و مکانیکی چسب قالبگیری )506-ML(
مقاومت فشاری )2N/cm( مدول
فشاری )2N/cm( مقاومت
خمشی )N/cm2( مدول
خمشی
)N/cm2( استحکامکششی
)N/cm2( مدول
کششی
)N/cm2( مقاومت چسبندگی
)N/cm2( مقاومت
ضربهای
)N/cm2( وزن
3مخصوص
)gr/cm ( ویسکوزیته
)Centipoise(
3011 33041 361 361111 0641 208311 1181 80/11 4/44 4111

آزمايشهای بارگذاری آزمايش فشاری تک محوری
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

روی مغزههای سنگی آماده شده )1 مغزه سنگی کاملاًکاملا بکر از هر بلوک سنگی( مطابق استاندارد ISRM و در رطوبت طبیعی، آزمایش بارگذاری فشاری تک محوری انجام شده است. با توجه به جدول 4 بیش ترین و کم ترین مقادیر USC به ترتیب مربوط به نمونههای 4 و 0 با مقاومت 8/202 و 31/31 مگاپاسکال هستند. مقادیر UCS اندازهگیری شده بر اساس تعریف دیر و میلر ]26[ و بنیاوسکی ]20[ از کم مقاوم تا بسیار مقاوم، کواتس ]28[ ضعیف تا خیلی قوی ،IAEG، ISRM و انجمن زمینشناسی بریتانیا ]23[ نسبتانسبتاً قوی تا بسیار قوی و براچ و فرانکلین ]31[ از مقاومت زیاد تا فوق العاده مقاوم، متغیر است. اختلاف کم ترین و بیش ترین مقادیر USC در تحقیق حاضر معادل MPa 231 است که با توجه به توصیۀ وزارت معدن کانادا در بارۀ طیف مقاومتی نمونههای آزمایش شده به منظور هم بستگی پارامترهای مقاومتی با UCS، مقداری مناسب است ]34[.
آزمايش نفوذ
در شکل 3 الف نحوۀ اعمال بار و سیستم ثبت تغییرات در آزمایش نفوذ نشان داده شده است. به منظور بررسی قطر نفوذکننده در آزمایش نفوذ، نفوذکنندههایی با قطر 6/1، 8/1 و 4
میلی متر از جنس تنگستن کارباید استفاده شده است. در شکل 3 ب و ج، مقطع عرضی و طولی نفوذکنندههای به کار رفته در تحقیق حاضر نشان داده شده است. با هدف بررسی اثر 1989
ابعاد خرده ذرات نمونههای آزمایشگاهی مکعبی با ابعاد 2، 3 و 1 میلی متری به ترتیب تا 311، 111 و 811 میکرون و با نرخ کرنش 4 میلی متر در ساعت )معادل 48، 31 و 18 دقیقه بارگذاری( آزمایش شده اند.

شکل 2. الف( آزمايش نفوذ در خرده ذرات مجزا و سیستم ثبت تغییرات، ب( مقطع عرضی نفوذکنندههای به کار رفته در تحقیق حاضر، ج( مقطع طولی نفوذکنندهها.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.2891 ]



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید