ارایه مدل ترمو-هیدرو-مکانیکی آسیب برای محیط های سنگی متخلخل اشباع تحت میدان تنش سه محوره

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

چکیده

تاثیر توامان تنش، حرارت، فشار منفذی و آسیب بر عوامل هیدرولیکی مخازن هیدروکربوری و ژئوترمال و بازدهی چاه‌های تولیدی آنها نشان می‌دهد طراحی واقع‌گرایانه فرآیند تولید از این مخازن، نیازمند بهره‎گیری از یک مدل رفتاری جامع تنش-کرنش است. در این پژوهش با ارایه تعریف جدیدی از آسیب کلی ناشی از اثرات وجود سیال با دمای بالا در محیط متخلخل، معادله رفتاری تنش-کرنش تنیده ترموهیدرومکانیکی‌آسیب سنگ در شرایط بارگذاری سه‎محوری مرسوم بر پایه‌ تئوری محیط موثر، مفهوم تنش موثر بایوت، تابع چگالی احتمال توزیع توانی، انتقال همرفت و رسانش ارایه شده است. نتایج نشان می‎دهد: الف) با افزایش ضریب بایوت، ضریب نفوذپذیری، فشار منفذی و دما، آسیب ترموهیدرومکانیکی در سنگ افزایش می‌یابد، افزایش فشار محصورکننده منجر به کاهش آسیب و در نتیجه بهبود ظرفیت باربری سنگ می‌شود. ب) با افزایش دما، میزان آسیب ترموهیدرومکانیکی کل کاهش می‌یابد و مقدار حداکثر آن در کرنش‌های بزرگ‎تر رخ می‎دهد. این در حالی‎ است‎که نرخ رها‌سازی انرژی منطبق بر تنش‎حداکثر و کرنش متناظر با آن افزایش می‎یابد. ج) معیار شکست لید اصلاح‎شده در مقایسه با معیارهای "موهر-کولمب" و "دراگر-پراگر"، پیش‎بینی واقع‎گرایانه‎تری را از رفتار تنیده ترموهیدرومکانیکی در آسیب سنگ ارایه می‎دهد. از نتایج این پژوهش چنین استنباط می‎شود که در‎نظر گرفتن مفهوم تنش موثر بایوت و آسیب هم‎رفت در کنار تابع توزیع توانی، منجر به ارایه پیش‎بینی‎های دقیق‎تری از پاسخ تنیده ترموهیدرومکانیکی- آسیب‎سنگ‎ها  خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Thermo-Hydro-Mechanical-Damage Model for Saturated Porous Medium Under Three-Axial Stress Field

نویسندگان [English]

  • A. Farahi 1
  • S. Nikoosokhan 2
  • A. Mortazavi 3
1 Ph.D. Student, Dept. of Mining Engineering , Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Dept. of Mining Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Professor, Dept. of Mining Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Coupling effects of stress, temperature, pore pressure and damage on hydraulic parameters of hydrocarbon and geothermal reservoirs and their production wells show that the realistic design of the production process from these reservoirs requires a comprehensive stress-strain behavioral model. In this study, through presenting a novel definition of total damage due to the effects of high temperature fluid in porous medium, a coupled stress-strain thermo-hydro-mechanical-damage behavioral model of rock in three-axial loading condition is performed based on the effective medium theory, the concept of Biot effective stress, power probability density function and convection and conduction heat transfer. Results show that: A) Increasing Biot effective stress coefficients, rock permeability, pore pressure and temperature leads to the augmentation of the coupled thermo-hydro-mechanical damage while the increase in confining pressure reduces damage thus improves rock bearing capacity. B) As temperature increases, total thermo-hydro-mechanical damage rate decreases and its peak occurs at larger strains, C) Modified Lade failure criterion provides a more realistic prediction from coupled thermo-hydro-mechanical-damage behavior compared with Mohr-Coulomb and Dragger-Prager failure criteria. Generally, it is concluded that taking into account the concept of Biots effective stress and convection heat transfer along with power distribution function will lead to more accurate predictions of the coupled thermo-hydro-mechanical-damage model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Damage behavioral model (THMD)
  • Convection heat transfer
  • Effective medium theory
  • Power probability density function
  • Biot effective stress theory

مراجع

[1] Zhu, C., and Arson, C. (2014). “A thermo-mechanical damage model for rock stiffness during anisotropic crack opening and closure”. Acta Geotechnica, 9(5): 847-867.
[2] Liu, X., Ning, J., Tan, Y., and Gu, Q. (2016). “Damage constitutive model based on energy dissipation for intact rock subjected to cyclic loading”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 85: 27-32.
[3] Yuan, S., and Harrison, J. (2006). “A review of the state of the art in modelling progressive mechanical breakdown and associated fluid flow in intact heterogeneous rocks”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43(7): 1001-1022.
[4] Pourhosseini, O., and Shabanimashcool, M. (2014). “Development of an elasto-plastic constitutive model for intact rocks”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 66: 1-12.
[5] Stefanou, I., Sulem, J., and Rattez, H. (2017). “Cosserat approach to localization in geomaterials”. Handbook of Nonlocal Continuum Mechanics for Materials and Structures, 1-25.
[6] Sulem, J., Stefanou, I., and Veveakis, E. (2011). “Stability analysis of undrained adiabatic shearing of a rock layer with Cosserat microstructure”. Granular Matter, 13(3): 261-268.
[7] Lemaitre, J. (1984). “How to use damage mechanics”. Nuclear Engineering and Design, 80(2): 233-245.
[8] Li, X., Cao, W.-G., and Su, Y.-H. (2012). “A statistical damage constitutive model for softening behavior of rocks”. Engineering Geology, 143: 1-17.
[9] Wen, T., Tang, H., Ma, J., and Liu, Y. (2019). “Energy Analysis of the Deformation and Failure Process of Sandstone and Damage Constitutive Model”. KSCE Journal of Civil Engineering, 23(2): 513-524.
[10] Vagnon, F., Colombero, C., Colombo, F., Comina, C., Ferrero, A. M., Mandrone, G., and Vinciguerra, S. C. (2019). “Effects of thermal treatment on physical and mechanical properties of Valdieri Marble-NW Italy”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 116: 75-86.
[11] Kamali-Asl, A., Ghazanfari, E., Perdrial, N., and Bredice, N. (2018). “Experimental study of fracture response in granite specimens subjected to hydrothermal conditions relevant for enhanced geothermal systems”. Geothermics, 72: 205-224.
[12] Gao., C., Xie, L., Xie, H., He, B., Li, C., Wang, J., and Luo, Y. (2017). “Coupling between the statistical damage model and permeability variation in reservoir sandstone: Theoretical analysis and verification”. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 37: 375-385.
[13] Zhang, J., Chen, X., and Kang, H. (2017). “Experimental investigation of mechanical properties and energy features of granite after heat treatment under different loading paths”. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, 24(6): 1841-1852.
[14] Ranjith, P., Viete, D. R., Chen, B. J., and Perera, M. S. A. (2012). “Transformation plasticity and the effect of temperature on the mechanical behaviour of Hawkesbury sandstone at atmospheric pressure”. Engineering Geology, 151: 120-127.
[15] Xu, X., and Karakus, M. (2018). “A coupled thermo-mechanical damage model for granite”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 103: 195-204.
[16] Park, J.-W., Rutqvist, J., Ryu, D., Park, E.-S., and Synn, J.-H. (2016). “Coupled thermal-hydrological-mechanical behavior of rock mass surrounding a high-temperature thermal energy storage cavern at shallow depth”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 83: 149-161.
[17] Yang, Y., Zheng, K., Li, Z., Li, Z., Si, L., Hou, S., and Duan, Y. (2019). “Experimental study on pore-fracture evolution law in the thermal damage process of coal”. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 116: 13-24.
[18] Tomac, I., and Sauter, M. (2018). “A review on challenges in the assessment of geomechanical rock performance for deep geothermal reservoir development”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82: 3972-3980.
[19] Herwig, H. (2016). “What Exactly is the Nusselt Number in Convective heat transfer problems and are there alternatives?”. Entropy, 18(5): 198.
[20] Li, P., Rao, Q.-h., Li, Z., Ma, W.-b., and Ma, B. (2014). “Thermal-hydro-mechanical coupling damage model of brittle rock”. Journal of Central South University, 21(3): 1136-1141.
[21] Li, Y., Jia, D., Rui, Z., Peng, J., Fu, C., and Zhang, J. (2017). “Evaluation method of rock brittleness based on statistical constitutive relations for rock damage”. Journal of Petroleum Science and Engineering, 153: 123-132.
[22] da Fontoura, S. A. (2012). “Lade and modified lade 3D rock strength criteria”. In The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring, Springer, 253-258.
[23] Xu, X., Gao, F., and Zhang, Z. (2018). “Thermo-mechanical coupling damage constitutive model of rock based on the Hoek–Brown strength criterion”. International Journal of Damage Mechanics, 27(8): 1213-1230.
[24] Zhao, Z. (2016). “Thermal influence on mechanical properties of granite: a microcracking perspective”. Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(3): 747-762.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 مهر 1398
  • تاریخ بازنگری: 03 تیر 1399
  • تاریخ پذیرش: 03 تیر 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار