شکافت هیدرولیکی در صنعت نفت

Hydraulic Fracturing

از نقطه نظر مهندسي نفت و گاز و بهره برداري از مخازن هيدروکربوري، افزايش بهره دهي در چاه‌ها به‌ويژه در چاه‌هايي با نفوذ پذيري کم يا چاه‌هاي آسيب‌ديده يكي از مهمترين اهداف مي باشد. تا به امروز روش‌هاي متفاوتي براي افزايش ميزان بهره‌دهي چاه‌ها ارائه و انجام شده‌است که هر يك مي‌تواند به طريقي موجب بهبود عملكرد چاه‌ها گردد. از مهمترين روش‌هاي بهبود بهره‌دهي چاه‌ها، اثر گذاشتن بر فيزيك سنگ مخزن مي‌باشد که در آن سعي مي‌شود تا ساختار فيزيكي سنگ مخزن بهبود يابد. از جمله مهم‌ترين اين روش‌ها مي‌توان به ايجاد شكستگي‌هاي مصنوعي در سنگ مخزن اشاره کرد.
همانطور كه مي دانيم، نفت و گاز در فضاي حفره‌ها و شكاف‌هاي طبيعي در سنگ‌هاي زير سطح زمين تجمع مي‌يابد. وقتي كه چاهي در درون اين سنگ‌هاي حاوي سيالات هيدروكربني، حفاري مي‌شود به علت ايجاد پروفايل فشاري، سيالات بايد از داخل سنگ‌هاي اطراف چاه به درون چاه حركت كنند و سپس از درون چاه به سطح زمين منتقل شوند. اگر خلل و فُرج‌هايي كه در سنگ مخزن وجود دارند به هم متصل باشند و سيال به راحتي به درون چاه حركت كند، سنگ مخزن را سنگي با نفوذ پذيري بالا مي‌دانيم ولي در مورد نفوذپذيري‌هاي پايين، سيال به راحتي قادر به حركت از داخل سنگ مخزن به درون چاه نيست. در اين گونه موارد كانال‌هاي داخل سنگ، آن‌گونه كه بايد، اجازه‌ي حركت سيال را به درون چاه نمي‌دهند پس چاه بهره‌وري اقتصادي ندارد زيرا به مقدار لازم از آن چاه سيال نفتي يا گازي توليد نمي‌شود. به همين دليل نياز به ايجاد شكاف‌ها و كانال‌هاي مصنوعي در داخل سنگ مخزن احساس مي‌شود. كه در واقع اين كانال‌ها توان سنگ مخزن را براي هدايت سيال به درون چاه بالا مي‌برند، اين كانال‌ها معمولاً توسط عمليات شكاف هيدروليكي(Hydraulic Fracturing) ايجاد مي‌شوند.
ايجاد شكستگي مصنوعي يكي از روش‌هاي رايج در جهت انگيزش چاه‌ها براي افزايش توليد نفت و گاز مي باشد. در شکاف هيدروليکي، شکاف‌هايي از ديواره‌ي چاه به سوي سازند توليدکننده‌ي نفت و يا گاز ايجاد مي شود. اين تكنولوژي بارها در دنيا مورد استفاده قرار گرفته و هم اكنون نيز در حال به کارگيري است. در حين حفاري هر چاه، به‌ويژه چاه‌هاي گازي، هر چه عمق بيشتر مي‌شود، همراه با عمل حفاري و تكميل چاه حتما بايد از فن‌آوري ايجاد شكاف هيدروليكي نيز در چاه استفاده كرد. فن‌آوري شكاف هيدروليكي مي تواند توليد يك چاه را حداقل تا دو برابر افزايش ‌دهد. پيشينه‌ي استفاده از اين روش به سال 1948 برمي گردد كه در يکي از مخازن گازي آمريکا انجام شد. اما اولين بار در سال 1949 از اين روش به صورت تجاري و با بهرهدهي اقتصادي استفاده شد و به خاطر موفقيتي که در افزايش توليد آن چاه نفتي داشت، سريعا گسترش يافت. در حال حاضر بيش از نيمي از چاه‌هاي گازي و نفتي آمريكا بدون فن‌آوري شكاف هيدروليكي، قادر به توليد نيستند. امروزه در منطقه آمريکاي شمالي حدود 25000 مورد ايجاد شکستگي مصنوعي در سال انجام مي گيرد. در اين منطقه ايجاد شکستگي‌هاي مصنوعي در حدود 58% مربوط به چاه‌هاي گازي و 38% مربوط به چاه‌هاي نفتي است. توليد نفت در تمام چاه‌هايي كه از تكنولوژي شكاف هيدروليكي استفاده مي‌كنند 2 تا 5 برابر شده است. تا کنون مطالعات زيادي در مورد اين روش صورت گرفته‌است که نتايج آن در کتاب‌ها و مقالات متعدد به چاپ رسيده است. استفاده مناسب از اين روش مي تواند در بهبود نفوذپذيري سنگ مخزن و در نتيجه بهبود شاخص بهره‌دهي چاه‌ها نقش موثري ايفا نمايد. به اين منظور لازم است تا ضمن بررسي عوامل مختلف تاثير گذار بر بازدهي فرايند ايجاد شکستگي‌هاي مصنوعي، تاثير اين فرايند بر افزايش بازدهي چاه‌ها در مخازن ايران مورد بررسي قرار گيرد. از جمله ‌ي مهترين عوامل تاثيرگذار بر روي شکاف هيدروليکي مي توان به موارد زير اشاره کرد:
1- انتخاب بهترين سيال به منظور ايجاد شکاف و پر کردن شکافها و روشي جهت ايجاد شکستگي در مخازن نفتي و گازي: که تاثير بسيار مهمي در بازده اين عمليات دارد و اگر اين دو عامل به درستي و متناسب با شرايط مخزن صورت نپذيرد، عمليات شکاف هيدروليکي تاثير به‌سزائي بر روند توليد از مخزن نخواهد داشت. سيالي كه براي ايجاد شكاف‌هاي هيدروليكي بكارمي‌رود يعني Hydraulic Fracturing Fluid يکي از پيچيده‌ترين سيالات است که از مواد زيادي تشکيل شده است. يکي از اين مواد پروپن است. پروپن ماده‌اي‌ است كه از ذرات مختلفي مانند سراميك، شيشه و پليمر تشكيل شده است. با ايجاد شكاف در لايه، اين مواد در داخل شكاف‌ها قرار مي‌گيرند تا از بسته شدن آن‌ها جلوگيري كنند.
2- چگونگي انتخاب يک چاه، سازند يا ميدان مناسب جهت انجام عمليات ايجاد شکستگي مصنوعي: ممکن است نيازي به ايجاد شکاف در همه‌ي چاه‌هاي يک مخزن نباشد و لذا به منظور صرفه جوئي اقتصادي انتخاب چاه و سازندي که بايد در آن شکاف مصنوعي ايجاد شود از حساسيت بالايي برخوردار است.
3- چگونگي اثر خواص مکانيکي سنگ بر عمليات ايجاد شکستگي و در ژئومتري(شكل هندسي) شکستگي‌هاي ايجاد شده با اين روش: بايد خواص سنگ مخزن به طور کامل تعيين شود تا در موقع ايجاد شکاف مساله‌ي بازدارنده‌اي ايجاد نشود و عمليات موفقيت آميز صورت بپذيرد.
4- چگونگي تاثير شکستگي‌هاي مصنوعي و طبيعي بر هم: که بايد تاثير آن‌ها به درستي مورد مطالعه قرار گيرد.

 

چگونگي ايجاد شكاف از نقطه نظر مكانيك سنگ: از لحاظ مكانيك سنگ ايجاد شكاف مصنوعي در سنگ را اين‌گونه مي‌توان بيان كرد: هر نوع سنگ سازندي به طور كلي ميزاني از قدرت ( استحكام) را كه به ساختار سنگ، فشردگي آن سنگ و سيماني بودنش وابسته است، از خود نشان مي‌دهد. نيروهايي كه تمايل به كنار هم نگه داشتن سنگ‌ها را دارند شامل ميزان استرس بر روي سنگ‌ها و استحكام هر سنگ به خودي خود مي‌باشند. وقتي كه چاه پر از سيال مي‌شود و فشاري از روي سطح بر روي سيال گذاشته مي‌شود، فشار سيال در مكان سوراخ‌هاي درون چاه ( Perforation) و حتي حفرات سنگ مخزن افزايش مي‌يابد. فشار هيدروليكي به صورت مساوي در كليه‌ي جهات اعمال مي‌شود. اگر فشار تا اندازه‌اي افزايش يابد كه نيرويي كه در اثر اين اعمال فشار ايجاد مي‌شود، برابر با نيرويي شود كه آن نيرو تمايل به نگه داشتن سنگ‌ها در كنار هم است، در اثر اعمال هر مقدار فشار اضافه‌تر باعث مي‌شود كه در سنگ مخزن شكستگي‌ها و شكاف‌هايي ايجاد شود. گستردگي اين شكاف‌ها با توجه به ميزان فشاري كه بر سيالات است كه در اثر تزريق سيال مي‌باشد، قابل كنترل است. وقتي كه فرآيند انجام شد و جريان معكوسي به خاطر توليد سيال در چاه برقرار شد، فشار به صورت تدريجي تا فشار مخزن كاهش مي‌يابد. هنگامي كه اين امر صورت مي‌پذيرد، نيرويي كه تمايل به نگه داشتن سنگ‌ها در كنار هم دارد، دوباره نيروي غالب شده و شكاف‌ها بسته خواهند شد. براي جلوگيري از اين حالت، بايد يك‌سري مواد جامد در داخل شكاف‌ها قرار داده بشوند كه بتوانند شكاف را باز نگه دارند. اين مواد، مواد پر كننده ( Propping agent) ناميده مي‌شوند. به خاطر اين‌كه نفوذ پذيري اين مواد بسيار بالاتر از نفوذ پذيري سنگ مخزن مي‌باشد لذا توانايي شكاف‌هاي پر شده در هدايت سيال به درون چاه باعث افزايش توليد مي‌شود. در حقيقت ايجاد شكاف عملياتي است بسيار مفيد جهت توليد كه در بسياري از چاه‌ها و ميدان‌ها قابل اجرا مي‌باشد كه اگر استفاده نشود اين چاه‌ها و ميادين قابليت توليد اقتصادي نخواهند داشت.

سازند‌هاي سازگار با شكاف هيدروليكي:
سازندهايي كه عمليات شكاف مصنوعي در آنها قابل اجرا مي‌باشند تقريبا همه‌ي سازندها هستند به غير از آن‌هايي كه سازندهاي بسيار نرم مي‌باشند. مثلا عمليات شكاف به طور موفقيت‌آميزي تاكنون در سازندهاي ماسه‌اي، limestone ، دولوميتي، كنگومراها و حتي شيل‌هاي سخت و شكننده و ... انجام پذيرفته است ولي در سازندهاي با طبيعت پلاستيكي شيل‌هاي نرم و رس‌ها انجام نپذيرفته است و ايجاد شكاف در آن‌ها بسيار سخت مي‌باشد.

انواع سيالات شكاف:
سيالات شكاف (Hydraulic Fracturing Fluids)به طور كلي به 3 دسته‌ي وسيع تقسيم مي‌شوند:
1) پايه آبي
2) پايه روغني
3) پايه مخلوط (mixed based)

اين طبقه‌بندي بر اساس تركيب اصلي سيال شكاف انجام شده است.
البته ( پايه آبي aqueous – based) فاز اصلي آن يا آب است و يا اسيد و پايه‌ي مخلوط فاز اصلي‌اش امولسيون (مخلوط معلق) است.

مواد پر كننده شكاف:
مواد پر كننده نيز ( پروپن ) همانگونه كه گفته شد نقش به سزايي در شكاف هيدورليكي دارند. ميزان پروپن مورد نياز، حالتي كه اين مواد در داخل شكاف‌ها قرار مي‌گيرند و مشخصات اين مواد، 3 عامل بسيار مهم هستند كه در شاخص توليد از چاه نقش حياتي را ايفا مي‌كنند. 6مشخصه‌ي مهم اين مواد پركننده كه بر نتيجه‌ي عمليات تاثير به سزايي دارند به قرار زيرند:
1) استحكام ذرات
2) سايز ذرات
3) توزيع سايز ذرات
4) فاكتور گردي ذرات
5) كيفيت ماده پر كننده ( ميزان ذرات سالم و ناخالصي‌ها)
6) دانسيته‌ي پروپن

فن آوري ايجاد شكاف:
ايجاد شكاف مصنوعي بسيار سريع در اكثر نقاط گسترش يافت؛ علت اين امر به خاطر ميزان موفقيت نسبي اين پروژه و توليد بيشتر نفت و گاز بود و سپس در طي چندين سال، هزاران چاه در سال با اين فن‌آوري به توليد پرداختند. امروزه استفاده از اين فناوري به گونه‌اي است كه چندين هزار گالن از سيال و بيشتر از يك ميليون پوند از پروپن ( Propping agent) تزريق مي‌گردد. البته سرعت تزريق در بعضي مواقع حتي تا 300 بشكه در دقيقه هم رسيده است. به طور متوسط سرعت تزريق بين 20 تا 60 بشكه در دقيقه مي‌باشد. مواد استفاده شده، وسايل مورد نياز جهت ايجاد شكاف و تكنيك استفاده از اين روش بسيار پيچيده مي‌باشد كه در (شكل 1) نشان داده شده است.

برگرفته از وبلاگ آقای هادی عطاپور

www.RMRE.blogfa.com

روش Anelastic Strain Recover در تخمین تنش های برجا

 

این روش یکی از روش های Core base برای تخمین تنش های برجا در اعماق زیاد مانند مانند میادین نفتی می­باشد. این روش در سال 1968 توسط Voight پیشنهاد شد و توسط محققینی چون Teufel، Matsuki و Lin توسعه داده شد. در این روش از کرنش های آزاد شده در مغزه پس از آزاد سازی تنش در اثر حفاری استفاده می­شود. بدین ترتیب که بعد از نمونه گیری از عمق و انتقال مغزه به سطح زمین، کرنش های زمان تابع مغزه با استفاده از Strain Gauge که در جهت های مختلف قرار می گیرید، اندازه گیری می شود. و بدین ترتیب می توان تانسور کرنش را بدست آورد. بطور معمول این کرنش ها به مدت 1 الی 2 هفته ادامه می یابد. خطای این روش از دست دادن جابجایی هایی است که در فاصله آزاد سازی تنش تا قرائت کرنش ها وجود دارد. بنابراین در این روش نمونه در محل مغزه گیری در یک محفظه که قابلیت اعمال دمای مخزن را دارد قرار گرفته و کرنش ها اندازه گیری می شود. زیرا تغییرات دما می تواند سبب اعمال کرنش اضافی شده و در تخمین اندازه تنش ها خطا ایجاد کند. لازم به ذکر است که این روش به عنوان یک روش تخمین تنش به شمار می رود نه روش اندازه گیری تنش. در اصل تا به حال هیچ روشی قابل قبولی که بتوان به کمک آن تانسور تنش برجا را در عمق بدست آورد وجود ندارد.

پتانسیل کاربردی نانو در ژئومکانیک

نانومکانیک چیست؟

جزئیات خصوصیات و شکل و طرح و فابریک و کاربرد ساختارهای سه بعدی و سیستم ها در ابعاد نانو و کوچکتر از آن در حیطه مطالعاتی این علم قرار می گیرد.

نانوژئومکانیک چیست؟

کانی های خاک و سنگها، نانو مواد هستند. برخی از کانی های موجود در زمین جذب نانوذرات شده و می توانند الهامی از این میزان نانو مواد زمین باشند.

نانومکانیک ها می توانند برای پیشرفت فهم اساسی، عملکرد مکانیکی خاک و سنگها (خزش، لغزش، سرعت لغزش و ...) مورد بررسی قرار گیرند.

نانومکانیک ها می توانند برای پیشگویی رفتار و عملکرد مواد زمین در شرایط متفاوت و حتی بحرانی، مورد استفاده قرار گیرند.

واکنش خاک و سنگها با سیالات یکی از فرایندهای نانوذرات است که در آسیب ها و تخریب ها، موثرند که در این زمینه ترکیبات نانو-پلیمر-رس، مورد استفاده قرار می گیرد.

تاکنون در حدود 5/5 میلیارد دلار برای تحقیق و بررسی در زمینه نانوتکنولوژی در سراسر جهان، سرمایه گذاری شده است.

 

 

رسها نانو ذرات بوده و عملکرد ذرات رس، بوسیله نانومکانیک کنترل می شود. در این تصویر کائولینیت و تغییر شکل ذرات و چگونگی جذب آب توسط این کانی رسی، در میکروسکوپ SEM نشان داده شده است.

 

 

محلول متشکل از مایع به همراه کانی، نشاندهنده این مطلب است که در بعضی از مواد، اکسید آهن همانند پوششی روی سطح ذرات را می پوشاند و در بعضی دیگر مواد موجود با مواد اضافه شده به محیط واکنش داده که منجر به انجام واکنش و خوردگی می شود.

نانو برای شبیه سازی مقیاس ماکرو کانی های سنگی  و واکنش بین آنها

مشخصات و مدل های مواد و کانی های زمین در مقیاس نانو و استفاده از این علم در عملیات های با سود دهی بالا همانند مغزه گیری و کشف مخازن سودآور

 

برگرفته از سایت سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور

معرفی کتاب

کتاب Rock Stress & Its Measurement توسط دونفر از اساتید بنام مکانیک سنگ نوشته شده است. این کتاب به بررسی جامع و کلی روش های اندازه گیری تنش پرداخته است. معایب، مزایا، تجهیزات، فرضیات و شرایط کاربرد هر روش به خوبی در این کتاب ارائه شده است. مسائل موردی مربوط به هر روش در انتهای کار نیز آورده شده است. به جرأت می توان  کتابی جامع تر از این کتاب در زمینه اندازه گیری تنش برجا در فیلد وجود ندارد. دوستان علاقه مند به ژئومکانیک نفت نیز می توانند از این کتاب استفاده کنند زیرا تکنیک های اندازه گیری تنش در چاه و با استفاده از مغزه حفاری نیز در این کتاب ارائه شده است. 

معرفی یک کتاب جدید

کتاب جدید Petroleum Rock Mechanics به تازگی چاپ شده و به نظر می رسد که مطالب جالب و جدیدی در حیطه ژئومکانیک نفت دارد. بنده موفق به دسترسی به این کتاب نشدم و حتی در سایت گوگل امکان مشاهده مطالب آن وجود ندارد. این کتاب در دو بخش Solid Mechanics و Petroleum Rock Mechanics  تدوین شده است. قسمت اول کتاب شامل مطالب مفهومی بوده و قسمت دوم آن به بررسی موضوعات چون Effective stress, Porous Rock, In situ Stress, rock strength, Failure Mechanisms, well bore stability, و غیره می پردازد. نکته جالب توجه این که این کتاب توسط Bernt Aadnoy و Reza Looyeh که به ظاهر ایرانی می باشد نوشته شده است. و این اثر می تواند به عنوان یک افتخار برای ایران به شمار آید.

تاریخچه روش Hydraulic Fracturing

شکست هیدرولیکی Hydraulics Fracturing بهترین روش برای تعیین میدان تنش در اعماق زیاد است. این تکنیک اولین بار در دهه 1940 به عنوان یک روش مدلسازی میادین نفتی، در شکست سگمنت های چاه پرفشار به کار گرفته شد. به دنبال موفقیت این روش به عنوان یک تکنیک مدلسازی   تلاش هایی برای فهم و درک مکانیزم آن انجام شد. بیشترین تلاش ها در تفسیر مکانیزم روش شکست هیدرولیکی توسط Hubbert & Wills انجام شد. این دو نفر با استفاده از تئوری ارتجاعی به این نتیجه رسیدند که جهت توسعه ترک و میزان فشار ثبت شده در فرآیند اعمال فشار به چاه، به طور مستقیم با تنش های برجا در ارتباط است. Fairhurst اولین کسی بود که از روش شکست هیدرولیکی برای اندازه گیری تنش های برجا میدان استفاده کرد. Fairhurst & Hamison نیز با این روش را با استفاده از تئوری بایوت برای بررسی اثر سیال و محیط های متخلخل توسعه دادند.  امروزه شکست هیدرولیکی یکی از روش های کلیدی پیشنهاد شده از طرف انجمن بین اللملی مکانیک سنگ برای تعیین تنش های برجا می باشد.
در آینده منتظر مطالب تکمیلی تر باشید.

معرفی کتاب

کتاب Reservoir Geo-mechanics از قویترین کتاب های در زمینه ژئومکانیک مخزن می باشد. همان طور که می دانید مسائل ژئومکانیک مرتبط به مهندسی نفت از نظر مقیاس به دو دسته تقسیم می شوند. یه دسته مربوط به مقیاس مخزن بوده و دیگری در حیطه مقیاس چاه می باشد. و این دو نوع مسائل در اصل دو دنیای بزرگ و مختلف هستند. مسائلی مانند پایداری چاه و مشکلات لوله جداری جز مسائل مربوط به مقیاس چاه و مسائلی مانند Reservoir Compaction، Rock Reservoir Behavior مربوط به مقیاس مخزن می باشند. این کتاب یکی از منابعی است که بیشتر به مسائل ژئومکانیکی مربوط به مخزن توجه می کند.

Zobak نویسنده این کتاب یکی از مشهورترین افراد در زمینه اندازه گیری تنش برجای مخزن می باشد. و به جرأت می توان گفت این کتاب در زمینه بدست آوردن تنش های میدان، نمونه و منحصر به فرد می باشد. برخی از فصل های این کتاب حاصل 30 سال کار این محقق در زمینه Stress Mapping می باشد.

معرفی کتاب

کتاب Rock Failure Mechanism از جدیدترین کتاب های پایه ای و آموزشی مکانیک سنگ در زمینه مکانیزم شکست سنگ می باشد. این کتاب توسط پروفسور Hudson و پروفسور Tang نوشته شده است و چاپ اول آن مربوط به سال 2010 می باشد. در این کتاب انواع مکانیزم های شکست سنگ در شرایط میدان تنش مختلف کششی، فشاری، برشی، سرعت بارگذاری، مسیر تنش و در شرایط مختلف محیط مانند همسانی، همگنی، شرایط جریان سیال، دما، و در پروژه های مختلف مهندسی بررسی شده است.

از ویژگی منحصر به فرد این کتاب بررسی مکانیزم های رفتار سنگ با روش Numerical Experiment می باشد.  به طوریکه با ویرایش مدل های ساخته شده و بعد از تطابق نتایج مدل با نتایج آزمایش انواع مطالعات لازم بر روی مدل انجام گرفته شده و نتایج حاصل ارائه شده است. از دوستانی که به روش Numerical Experiment و یا به مکانیزم های شکست سنگ در شرایط مختلف علاقه دارند توصیه میکنم که به این کتاب جدید مراجعه کنند.

اهمیت ژئومکانیک در صنعت نفت

کاربرد مکانیک سنگ و ژئومکانیک از سال­ها پیش در صنعت نفت دنیا و در موضوعاتی چون پایداری چاهها، برنامه تولید مخزن، شکافت هیدرولیکی، ماسه دهی چاه­ها، نشست سطح زمین و غیره مطرح شده و تحقیقات زیادی در رابطه با آن انجام شده است. در ایران به رغم مشکلاتی چون مچالگی چاه­ها، تولید ماسه و خطاهای موجود ناشی از در نظرنگرفتن خواص ژئومکانیکی، مطالعات مورد توجه جدی صورت نگرفته است. به همین دلیل اطلاعات ناچیزی در مورد خواص مکانیکی سنگ مخزن هیدروکربوری و پوش سنگ آن­ها وجود دارد. در اکثر شرکت­های نفتی، مراکز تحقیقاتی و دانشگاه­های معتبر مرتبط با نفت بخش ویژه­ای با عنوان ژئومکانیک وجود داشته، در صورتی که در برخی میادین ایران، هیچ­گونه آزمایش ژئومکانیکی انجام نشده و اطلاعاتی در رابطه با آن موجود نمی­باشد. این مسئله به قدری بغرنج است که حتی ماژول ژئومکانیک مربوط به نرم افزارهای تجاری مانند CMG و Eclipse در مدلسازی مخزن نادیده گرفته شده و پارامترهای مربوط به آن وارد نمی­شود. مسائل مربوط به ژئومکانیک در تمامی دوران توسعه میادین هیدروکربوری یعنی از مراحل اولیه اکتشاف نظیر بررسی میدان تنش حاکم، تا مراحل ارزیابی و توسعه مانند پیش بینی تراکم مخزن و گسلش نقش اساسی دارد. بدین ترتیب اهمیت ندادن به ژئومکانیک مخازن می­تواند باعث ایجاد خطاهای قابل توجه در طراحی و در نتیجه هزینه­های گزاف در طول عمر مخزن هیدروکربوری شود.

معرفی کتاب

کتاب Mechanics of Fluid Saturated Rocks حاصل کارهای اخیر پژوهشی دانشمندان در زمینه مکانیک سنگ های متخلخل و شکسته و اثر سیال بر روی رفتار آن ها می باشد. در اصل هر فصل این کتاب توسط متخصصین مربوط به آن فصل نوشته شده است و در نهایت توسط Yves Gueguen و Maurice Bouteca که از دانشمندان معروف فرانسوی در حیطة ژئومکانیک می باشند، جمع آوری و ویرایش شده است.

یک ویژگی بارز این کتاب طرز نگاه نویسندگان به مسائل هم از دیدگاه مکانیکی و هم از دیدگاه زمین شناسی و ژئوفیزیک است. و به همین دلیل این کتاب هم برای مهندسین نفت و معدن و عمران و هم برای زمین شناسان و علاقه مندان به ژئوفیزیک و حتی ژئوشیمی قابل استفاده و مفید می باشد.

از موضوعات جالب این کتاب می توان به Poromechanics، Localization Theory،  Mechanical & Chemical Compaction،  Damage Mechanics، Fluid Transport و Hydromechanical Models  در زمینه مکانیک سنگ های متخلخل اشاره کرد.

معرفی کتاب

کتاب Fundamental of Discrete Element Methods for Rock Engineering از بهترین کتابهای جدید و برجسته در زمینه عددی میباشد. این کتاب در سال 2007 توسط دو دانشمند معروف مکانیک سنگ  (پروفسور Jing و  Stephansson) چاپ شده است. نویسنده در این کتاب به معرفی روش المان مجزا  DEM و مفاهیم جدید آن و کاربردهای زیاد آن در مکانیک و مهندسی سنگ  پرداخته است. ضمن اینکه  معرفی روش های دیگر عددی که از خانواده روش DEM می باشند مانند روش های DDA و DFN در این کتاب نسبتا حجیم گنجانده شده است.

یکی دیگر از ویژگی های جالب این کتاب مانند دیگر کتاب های مورد علاقه بنده که قبلا خدمت دوستان معرفی کردم،  ارائه معادلات و مدل های رفتاری سنگ می باشد. البته با توجه به این که موضوع مربوط به محیط های ناپیوسته سنگ می باشد، این معادلات و مدل های رفتاری برای سنگ های شکسته و متخلخل همراه با جزئیات آن ها ارائه شده است.

به دوستان علاقه مند در حوژه ژئومکانیک و مهندسی نفت توصیه می شود  که در صورت علاقه به موضوعات مدل سازی عددی مانند مدل سازی مخزن، حتما این کتاب را مطالعه فرمایند. 

جایزه روشا (Rocha Medal)

جایزه روشا، مدال و نشانی است که به محقیقن و دانشمندان جوان مکانیک سنگ اختصاص داشته و هر سال انجمن بین المللی مکانیک سنگ به بهترین پایان نامه دکتری در این زمینه اهدا می کند. این جایزه از جنس برنز بوده و از سال 1982 رقابت بر سر  کسب این نشان در بین دانشجویان دکتری سراسر دنیا آغاز شده است.

نام روشا از امانوئل روشا یکی از بنیانگذاران انجمن بین المللی مکانیک سنگ گرفته شده که اولین کنفرانس ISRM را برگزار کرده و سال های زیاد نیز انجمن را مورد حمایت خود قرار داده است. 

اما نکته قابل تامل این جاست که از سال 1982 تا کنون محققین زیادی از سراسر دنیا این جایزه را به نام خود و کشور خود ثبت کرده اند. در حالیکه هنوز این جایزه نصیب ایران که به تلاش و کوشش در عرصه علم و دانش معروفند نرسیده است. اگرچه در سال 2010 اقای دکتر عباس طاهری از دانشگاه یوکوهامای ژاپن، تا نزدیکترین نقطه ممکن برای کسب این مدال پیش رفت ولی در نهایت موفق به کسب جایزه دوم شد. (لازم به ذکر است که انجمن بین المللی مکانیک سنگ از سال 2010 به نفرات ممتاز دوم نیز جایزه اعطا می کند.)

امید است که دیگر محققان ایرانی مکانیک سنگ، در ایران و سایر نقاط دنیا راه دکتر طاهری را ادامه داده و با کسب این نشان بار  دیگر هوش و ذکاوت خود را به جامعه مکانیک سنگ و دنیا نشان دهند.

به امید پیروزی روز افزون ایران در عرصه علم و دانش

مکانیک سنگ و مهندسی نفت

شناخت تنش ،کرنش و مکانیک شکست سنگ و پاسخ آنها به تنش های زمین می تواند منجر به جبران عظیم هزینه اقتصادی در تمام مراحل توسعه نفت مخزن شود. در طول ده سال گذشته، مکانیک سنگ به عنوان یک تکنولوژی مهم قادر به کاهش ریسک مالی در حفاری، اکتشاف مقدماتی، توسعه فرصت­ها، و بهبود بهره وری هیدروکربن است. در طول این ده سال مکانیک سنگ خود را به عنوان یک علم بحرانی در کاهش ریسک مالی حفاری و نگهداری چاه، افزایش کیفیت اکتشاف و بهبود در تولید مخزن نشان داده است. مکانیک سنگ امروزه به عنوان یک عنصر مهم در حفاری زاویه ­دار و افقی، حفاری در آب­های عمیق، شکست هیدرولیکی و عملیات چاه سازندهای ضعیف، ناپایداری چاه و شکست برشی لوله جداری، نشست و کنترل تولید ماسه می­تواند سالیانه باعث کاهش یک بیلیون دلار از هزینه ­های صنعت نفت شود. تئوری­ ها و روش­های جدید آزمایشگاهی و همچنین روش­­های پیشرفته مدلسازی امکان وارد کردن جزئیات محیط و در نتیجه بررسی اثر آن­ها را امکان پذیر کرده است. 

معرفی کتاب

در زیر کتابی برای دوستان در زمینه طراحی و ساخت تونل را معرفی خواهم کرد. این کتاب را می توان به جرات یکی از بهترین کتاب ها در زمینه طراحی و ساخت تونل نامید. این کتاب در سال 2008 توسط PIETRO LUNARDI با عنوان "Design and Contraction of Tunnels " چاپ شده است. توجه نویسنده این کتاب بر جابجایی و رفتار سنگ و خاک در اثر حفر تونل بوده و بدین ترتیب اثر عوامل مختلف طراحی و ساخت را بر روی رفتار سنگ و خاک بررسی می کند. یکی از ویژگی های جالب این کتاب که آن را از سایر کتاب ها متمایز می سازد علاقه مندی نویسنده به استفاده از تصاویر و طرح های آموزشی و آوردن بخش های یادآوری و آموزشی از مباحث مکانیک سنگ و خاک و نکات طراحی و ساخت تونل می باشد. این کتاب در ابتدا با آوردن مثال های متعدد مطالبی راجع به جابجایی و رفتار سنگ و خاک در اثر ایجاد تونل ارائه داده و سپس مسائل خاص  طراحی و ساخت تونل را مطرح کرده است.

کنفرانس بین اللملی مکانیک سنگ

دوازدهمین کنفرانس بین اللملی مکانیک سنگ در اکتبر 2011 در شهر پکن چین برگزار می شود. این کنفرانس با عنوان Harmonising Rock Mechanics and the Environment به معنی نقش بحرانی مکانیک و مهندسی سنگ در محیط زیست شناخته شده است. مدیران این کنفرانس Qihu Qian و Jian Zhao  از استاتید مکانیک سنگ کشور چین می باشند.

با عنايت باينکه کليّه مقالات هر کشور بايد بوسيله انجمن مکانيک سنگ آن کشور در يافت و مورد ارزيابی قرار گيرد لذا آخرین مهلت ارسال مقالات به انجمن مکانیک سنگ ایران 10 دی ماه 1389 می باشد.

معرفی کتاب

کتاب Experimental Rock Mechanics توسط Mogi استاد دانشگاه توکیوی ژاپن نوشته شده است. تخصص Mogi مطالعات آزمایشگاهی در زمینه مکانیک سنگ، زلزله و بررسی سرعت امواج صوتی در سنگ می باشد. در اصل این کتاب حاصل تجربیات و یافته های این دانشمند مکانیک سنگ از سال 1956 می باشد. این کتاب نیز از همین سه بخش آزمایش های مکانیک سنگ، بررسی سرعت امواج و زلزله تشکیل شده است.

دوستان در صورت علاقه و داشتن این کتاب می توانند به من میل بزنند.

معرفی کتاب

کتاب Tunnelling and Tunnel Mechanics نوشته آقای Kolymbas یکی از بهترین کتاب هایی است که مسائل طراحی تونل های راه به طور مفبد و مختصر در آن ارائه شده است. یکی دیگر از ویژگی های این کتاب بررسی رفتار سنگ و خاک در طراحی تونل می باشد.

نویسنده آلمانی این کتاب رئیس دانشگاه Innsbruck آلمان بوده که تجربیات زیادی در پرژوه های بزرگ تونلسازی اروپا دارد. و بدین ترتیب علاوه بر شخصیت دانشگاهی، به عنوان یک استاد برجسته صنعتی نیز شناخته می شود.

با توجه به اینکه ناشر این کتاب Springer می باشد دانلود این کتاب به راحتی برای دوستان دانشجو امکان پذیر است. با این وجود در صورت مشکل دسترسی به منابع علمی دانشگاه ها، می توانم این کتاب را از طریق ایمیل در اختیار دوستان علاقه مند قرار دهم.

دستگاه اندازه گیری ضرایب Poroelastic سنگ

این دستگاه علاوه بر اندازه گیری ضرایب تراکم پذیری (مهمترین ضریب Poroelastic) سنگ قادر به اندازه گیری دیگر ضرایب Poroelastic سنگ می باشد. دستگاه قادر به اندازه گیری در شرایط هیدرواستاتیک و غیرهیدرواستاتیک می باشد. اندازه گیری و قرائت به صورت دستی و اتوماتیک امکان پذیر می باشد.

طراحی دستگاه اندازه گیری ضرایب Poroelastic  سنگ، پروژه کارشناسی ارشد  اینجانب بوده که به راهنمایی دکتر سید مهدی موسوی (عضو هیئت علمی دانشکده معدن- دانشگاه تهران) در بهار 1389 در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشکده مهندسی معدن دانشگاه تهران ساخته شده است.

عکس های زیر نماهایی از این دستگاه را نشان می دهد.

معرفی کتاب

امروز می خواهم کتابی رو برای دوستانی که تازه قدم در راه مکانیک سنگ گذاشته اند معرفی کنم. کتاب Design Analysis in Rock Mechanics به نویسندگی Pariseau در سال 2006 منتشر شده است. این کتاب شامل مسائل طراحی در حیطه مکانیک سنگ بوده و مطالب خود را در سه زیر موضوع حفریات سطحی، حفریات زیرزمینی و نشست ارائه میدهد. نوسینده در هر بخش ابتدا به طور مختصر مطالبی راجع به موضوع ذکر کرده و در ادامه با آوردن مثال های طراحی و راه حل آن دید طراحی و مهندسی را به خواننده هدیه می دهد.

دوستان عزیز برای داشتن این کتاب می توانند به اینجانب میل بزنند

تئوری خمیری محیط متخلخل

اگرچه تئوری ارتجاعی محیط متخلخل، بک تئوری قوی برای بررسی تغییر شکل سنگ می‌باشد؛ ولی این تئوری مربوط به تغییر شکل‌های کوچک و برگشت پذیر می‌باشد. این در حالی‌است که در اکثر سنگ‌های متخلخل، با اعمال تنش نسبتاً کم، سنگ از خود رفتار غیرالاستیک نشان می‌دهد و در این شرایط تئوری ارتجاعی محیط متخلخل کارائی خود را از دست می‌دهد. تئوری خمیری محیط متخلخل و یا Poroplasticity همان کاربرد تئوری خمیری استاندارد در محیط اشباع و متخلخل بوده و به بررسی رفتار سنگ در تغییرشکل‌های بزرگ و برگشت ناپذیر می‌پردازد. تئوری Poroplasticity همانند تئوری خمیری استاندارد و کلاسیک شامل دو دسته روابط می‌باشد. مورد اول تابع تسلیم (Yield Function) بوده که شرایط آغاز تغییر شکل پلاستیک را نشان می‌دهد و دیگری مربوط به قانون جریان (Flow Rule) و قانون سخت شدگی (Hardening Rule) می‌باشد، که مربوط به رفتار ماده در طول تغییرشکل پلاستیک است.

معرفی کتاب

امروز می خواهم در مورد یکی از کتاب های کاربرد مکانیک سنگ در صنعت نفت صحبت کنم. چندین کتاب در این زمینه وجود دارد که کتاب Petroleum Related Rock Mechanics یکی از معروفترین آن ها میباشد. در این کتاب تقریبا اکثر موضوعات نفتی مرتبط با مکانیک سنگ مطرح شده است. اگرچه به دلیل تنوع موضوعی و مطالب زیاد به بیان کلیات لازم برای هر موضوع اکتفا شده است. یکی از ویژگی های جالب این کتاب این است که در آن علاوه بر معرفی کاربردی مکانیک سنگ در صنعت نفت، به مدل های رفتاری و مفاهیم پایه ای مکانیک سنگ نیز توجه شده است. برای دوستانی که به دو زمینه مکانیک سنگ و نفت علاقه مند هستند پیشنهاد می کنم حداقل به این کتاب نگاهی بیندازند!

اهمیت رفتار تراکمی سنگ در صنعت نفت

بررسی مکانیکی رفتار سنگ متخلخل در تراکم، یکی از مهمترین مسائل مکانیک سنگی در صنعت نفت می‌باشد که در حیطة علم Poromechanics مورد بررسی قرار می‌گیرد. در اثر اعمال میدان تنش فشاری محدودکننده و یا تغییرات فشار منفذی، سنگ و منافذ آن دچار تراکم می‌شوند. استخراج هیدروکربن و یا آب زیرزمینی باعث کاهش فشار منفذی و در نتیجه افزایش تنش مؤثر در مخازن می‌گردد. برای سازندهای با تخلخل زیاد و یا ضعیف، میزان افزایش تنش مؤثر می‌تواند برای تغییرشکل‌های غیرالاستیک سنگ، کافی باشد. این رخداد، باعث وقوع فرآیندهای میکرومکانیکی مانند رشد و توسعة میکروساختارها، شکست سیمان بین دانه‌ها، چرخش و لغزش دانه‌ها نسبت به هم، شکست دانه‌ها و ایجاد تغییرشکل پلاستیک در آن‌ها، خرابی منافذ و کاهش تخلخل می‌شود. این رفتار سنگ، هزینه‌های سنگین اقتصادی مانند نشست زمین[1]، ناپایداری چاه[2]، تولید ذارات جامد[3]، محتمل کردن وقوع زلزله، شکست لوله جداری[4]، کاهش نفوذپذیری، مشکلات حفاری، تزریق آب  و دیگر مشکلات تولید نفت را به دنبال خواهد داشت. برای پیشگویی این موارد و کنترل رفتار سنگ متخلخل، درک رفتار غیرالاستیک سنگ، نوع شکست و حالات انتقالی رفتار شکننده به تغییرشکل پذیر لازم می‌باشد.

---

[1] Subsidence

[2] Well instability

[3] Solid production

[4] Casing collapse

معرفی کتاب Poroelasticity

امروز می خواهم بهترین و مفیدترین کتاب در زمینه تئوری ارتجاعی سنگ متخلخل را خدمت شما معرفی کنم. همانطور که در مطالب قبلی توضیح داده شده به دلیل متخلخل بودن خیلی از مواد طبیعی و مصنوعی در جهان، این موضوع در بسیاری از زمینه های علمی مورد توجه است. بنابراین نوشتار هر شاخه علمی در مورد Poroelasticity تا حدودی متفاوت است و این باعث سردرگمی خواننده می شود. البته نقش پیچیدگی تئوری ارتجاعی محیط متخلخل را نسبت به تئوری ارتجاعی کلاسیک نباید نادیده گرفت.

کتاب بالا نوشته آقای Wang از دانشمندان برجسته بوده که پژوهش های زیادی در حوزة رفتار ارتجاعی سنگ متخلخل دارد. این کتاب به صورت پایه ای و مههومی نوشته شده و ادبیات نوشتاری آن بسیار ساده و روان می باشد. آقای وانگ در کتاب پس از معرفی ریاضی تئوری ارتجاعی، کاربرد آن را در حیطه ژئومکانیک و هیدرولوژی بیان می کند.

دوستان برای دریافت کتاب می توانند به اینجانب میل بزنند.

تئوری ارتجاعی محیط متخلخل

ارتباط بین تنش و تغییرات فشار منفذی با کرنش و شرایط سیال موجود در محیط، موضوع علم تئوری ارتجاعی محیط‌های متخلخل[1] و یا Poroelasticity را تشکیل می دهد (Wang, 2000). به عبارت دیگر تئوری ارتجاعی محیط متخلخل علمی است که موضوع آن بررسی مکانیزم تغییر شکل ارتجاعی همراه با شرایط سیال منفذی می‌باشد (Cui, 1995). برخی محققین (Jaeger, 2007) نیز بررسی رفتار ارتجاعی و متقابل هیدرومکانیکی سنگ را موضوع علم تئوری ارتجاعی محیط متخلخل می‌دانند. تئوری ارتجاعی محیط متخلخل برای تغییر شکل‌های کوچک محیط‌های متخلخل اشباع به‌کار می‌رود. فرض اصلی در تئوری ارتجاعی محیط متخلخل بازگشت پذیری می‌باشد زیرا این شرط به ما اجازه می‌دهد که این تئوری در راستای ترمودینامیک کلاسیک توسعه یابد. در این تئوری فاز سیال همراه با یک محیط جامد در نظر گرفته می‌شود و درنتیجه دو متغیر جدید برای توصیف حالت ترمودینامیکی سیال وجود خواهد داشت (Gueguen. Y, 2004). عبارت poroelasticity برای اولین بار توسط گیرتسما (Geertsma J. , 1966) در مقاله اش به صورت یک پاورقی مطرح شد (Wang, 2000).

متون مختلفی در این زمینه با نگارش‌های اساساً متفاوت توسط (Biot M. , 1941) (Coussy, 2004) و (Detournay, 1993)، (Wang, 2000)، (Zimmerman R. , 1991) ، (Gueguen. Y, 2004) و (Rice, 1976) منتشر شده است.

---

[1] Theory of poroelasticity

مفهوم فشار سنگ و مقایسه آن با فشار زمین

عمده‌ترین نیروهایی که به یک سازة زیرزمینی تحمیل می‌شود، ناشی از فشارهای زمین یعنی سنگ‌ وآب‌های زیرزمینی می‌باشد. از نیروهای ناشی از زلزله به دلیل سازگاری محیط حفاری شده با سنگ اطراف می‌توان چشم پوشید و فقط تأثیر زلزله را در محل گسل‌ها مورد بررسی قرار داد.

سنگ‌ها در حالت طبیعی و به‌خصوص در لایه‌های عمیق تحت تأثیر وزن لایه‌های فوقانی قرار دارند و تنش‌های موجود در تودة سنگ ناشی از این نیروی ثقلی[1] می‌باشد.

تنش باعث بوجود آمدن کرنش[2] و تغییرشکل[3] در اجزای متعدد سنگ خواهد شد و تغییر شکل در سنگ نیز محتاج فضای لازم برای حرکت است. از آن‌جا که سنگ محدود شده است تنش در سنگ‌های واقع در زیر زمین ذخیره می‌گردد. این تنش ممکن است به مقدار خیلی زیادی برسد که گاهی نیز بیش از نقطة گسیختگی[4] سنگ می‌باشد. بلافاصله بعد از اینکه به‌ چنین سنگی اجازة حرکت داده شود، تنش‌های پس‌ماند[5] و ذخیره شده در سنگ آن را به حرکت در می‌آورد. تنش‌ها و تعییرشکل‌ها ممکن است در حد ارتجاعی[6] باشد و به عبارت دیگر در این حالت حد ارتجاعی سنگ بیش از تنش‌های پس‌ماند می‌باشد.

با ایجاد هر حفرة مصنوعی در سنگ، سقفی از سنگ‌های فوقانی تشکیل می‌گردد. در این صورت وزن لایه‌های فوقانی به‌صورت توزیع یکنواخت روی عمیق‌ترین لایه که همان سقف حفرة حفاری شده‌است، اثر می‌کند. نیروهای مؤثر تحت عنوان نیروی رانشی به‌ندرت به سمت حفره حرکت می‌کنند. به همین دلایل تغییر شکل تودة سنگ بارگذاری شده به‌وسیلة سنگ‌های محیط محدود می‌گردد. برای متوقف کردن حرکت تودة سنگ بایستی آن را به وسیلة سازه‌های حائل نگهداری کرد. در این صورت نیروهای اعمال شده به وسیلة نگهداری همان فشار سنگ می‌باشد.

مقدار فشار زمین به‌طور معمول غیر وابسته از مقاومت و زمان قرار گرفتن تکیه‌های حائل است و فقط بستگی به توزیع آن و میزان ضریب K و تغییر شکل‌های جانبی دارد. در حالی‌که فشار سنگ به‌طور مؤثری بستگی به مقاومت و زمان نصب حائل‌ها دارد. این به دلیل تغییر شکل‌های ناشی از حفاری تونل در تودة سنگ در اطراف حفره پس از گذشت یک دورة زمانی می‌باشد. هنر اصلی در تونل‌سازی، پیش دستی در توسعة زیاد فشارهای سنگ است.

---

[1] Gravity stress

[2] Strain

[3] Deformation

[4] Rupture point

[5] Residual stress

[6] Elastic limit

معرفی کتاب

با توجه به درخواست دوستان عزیز برای معرفی کتابها و منابع تخصصی مکانیک سنگ سعی می کنم از این زمان کتب و مقالات برجسته مکانیک سنگ را معرفی نمائم. بار دیگر از انتقادات و پیشنهادهای دوستان کمال تشکر و قدر دانی را دارم.

در زیر به معرفی یکی از بهترین کتاب ها در زمینه مکانیک سنگ می پردازم. 

کتاب Fundamentals of Rock Mechanics یکی از جدیدترین و بهترین کتاب ها در حوزه مکانیک سنگ است. این کتاب در اصل ویرایش شده کتاب قدیمی Fundamentals of Rock Mechanics به نویسندگی Jaegar & cook  می باشد که در سال 2007 توسط پروفسور Zimmerman (رئیس مجلة International journal of Rock Mechanics and Mining sciences) به چاپ رسیده است. جنبه ریاضی و بحث بر روی مدل های رفتاری سنگ ار ویژگی های بارز این کتاب است. در این کتاب رفتار سنگ از دیدگاه میکرومکانیکی نیز بررسی شده است که کمتر در کتاب های قدیمی به چشم می خورد. در ضمن این کتاب در مورد رفتار مکانیکی سنگ متخلخل نیز مطالب پر باری ارائه می دهد.

دوستان در صورت نیاز با بنده تماس بگیرند تا این کتاب را برایشان Email کنم.

انواع روش های تحلیل پایداری شیب های سنگی

دسته بندی‌های مختلفی برای روش‌های آنالیز پایداری شیب‌ها وجود دارد. در برخی تقسیم بندی‌ها  دو و یا چند روش در قالب یک روش ارائه شده‌اند. در زیر یک تقسیم‌بندی کامل از این روش‌ها ذکر شده‌است:

 روش‌های سنتی: (conventional techniques)

§        تحلیل سینماتیک یا حرکت شناسی (kinematic analysis method)

§        روش تجربی (Empirical method)

§        روش مدل‌سازی فیزیکی (Physical modeling method)

§        روش تعادل حدی (limit equilibrium analysis method)

§        روش تحلیل آماری (probabilistic analysis method)

 

روش‌های عددی: (numerical techniques)

§        روش محیط‌های پیوسته (continuum approach) 

§        روش محیط‌های ناپیوسته (discontinue approach)

§        روش مختلط (Hybrid approach)

اهمیت ضریب تنش موثر بایوت در رفتار سنگ متخلخل

در شرایطی که فشار منفذی در سنگ وجود داشته باشد، قانون تنش موثر تعیین کننده رفتار سنگ است. این تنش طبق نظر ترزاقی برابر اختلاف فشار محدود کننده و فشار منفذی می­باشد. اما این رابطه برای سنگ­های خیلی ضعیف و خاک منطقی می­باشد و در محاسبات مربوط به سنگ­های دیگر ایجاد خطا می­کند. تعریف دقیق تنش موثر برای سنگ­های متخلخل با استفاده از تئوری ارتجاعی محیط متخلخل (Poroelasticity) و کارهای تجربی دیگران بدین صورت است که ضریبی به­عنوان ضریب بایوت در فشار منفذی ضرب می­شود. در اصل در سنگ­های متخلخل قانون تنش موثر بایوت برقرار بوده که در آن به سنگ تنش بیشتری نسبت به قانون ترزاقی وارد می­شود. بدین ترتیب مقدار این ضریب در مطالعة رفتار سنگ­های متخلخل مانند سنگ مخازن نفتی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

Poromechanics

علم Poromechanics شاخه‌ای از  فیزیک و بویژه مکانیک محیط پیوسته می‌باشد که در مورد رفتار محیط متخلخل اشباع، بحث می‌کند. فرق این زمینة علمی با شکل کلاسیک آن یعنی مکانیک محیط پیوسته، در متخلخل بودن محیط و حضور سیال با شرایط و ویژگی‌های گوناگون می‌باشد.  محیط و یا مادة متخلخل از یک جامد (ماتریکس) و شبکة داخلی و منافذ که اشباع یا غیراشباع از سیال (مایع یا گاز) می‌باشند، تشکیل شده است. این دو شبکة ماتریکس و شبکة منافذ می توانند پیوسته و یا غیرپیوسته  فرض ‌شوند. خیلی از مواد طبیعی مانند سنگ، خاک و بافت‌های زیستی و بیولوژیکی و مواد مصنوعی مانند سرامیک و کف می‌توانند بعنوان محیط متخلخل در نظر گرفته شوند. به همین دلیل این شاخة علمی در زمینه‌های مختلف پزشکی، زیست شناسی، و مهندسی پلیمر، عمران، نفت، مکانیک، متالوژی، زمین شناسی، ژئوتکنیک، ژئوفیزیک، هیدرولوژی و معدن کاربرد داشته و هم‌اکنون نیز در حال گسترش می‌باشد. هر 4 سال کنفرانسی با عنوان Biot Conference in Poromechanics در دنیا برگزار شده و متخصصین در علوم مختلف مقالات خود در در زمینة رفتار و مدل­های مکانیکی مواد متخلخل ارائه می دهند.

بررسی پایداری سیستم نگهداری تونل با استفاده از شبکه های عصبی

طراحی بهینه سیستم نگهداری تونل به دلیل پیچیدگی‌های درک و فهم پارامتر‌های مکانیک سنگ و تاثیر روش‌های حفر تونل بر آن مشکل و غیر قابل اجتناب می باشد. در طول پروسة حفر تونل خیلی از پارامتر‌ها مانند جنس سنگ، مقاومت سنگ، درزه و ناپیوستگی، تنش‌های موجود در سنگ، شکل و اندازة فضای حفر، نوع و مقاومت سیستم نگهداری موقت، پارامترهای مرتبط به روش نگهداری بطور جدی بر طراحی و پایداری سیستم نگهداری تأثیر می‌گذارند. با توجه به این حقیقت که استفاده از روش‌های تحلیلی برای ارائة یک ارتباط صحیح و منطقی بین پارامتر‌های سیستم نگهداری و پارامترهای ورودی مانند ویژگی‌های سنگ[1] و پارامترهای مرتبط با حفر[2] امکان ناپذیر است. روش مبتنی بر شبکه‌های عصبی  می‌تواند یک راه برای ارائة چنین ارتباطی باشد. اگر این رابطه بین پایداری سیستم نگهداری و نوع سنگ و پارامترهای مرتبط با حفر پیدا شود، شبکه‌های عصبی می تواند به‌عنوان راهی برای پیشگویی سیستم‌های نگهداری تونل با کارایی بیشتر مورد توجه قرار گیرد. دلیل اولیه انتخاب شبکة عصبی از بین دیگر روش‌های هوش مصنوعی توانایی بدست آوردن دانش با ارزش و مفید بدون نیاز به تجربه افراد متخصص که در بعضی از روش‌های هوش مصنوعی ملزوم است، می‌باشد. تا کنون کار‌های قابل توجهی در زمینة تعیین سیستم نگهداری تونل و بررسی پایداری آن با استفادة مطلق از روش شبکه‌های عصبی صورت نگرفته است. یک دلیل آن زیاد بودن پارامتر‌های موثر بر پایداری سیستم نگهداری و پیچیدگی و سختی ایجاد شبکه عصبی  با در نظر گرفتن تمامی این پارامترها می‌باشد. شاید  از میان این معدود کارها، مقالة لئو و همکارانش در سال 2001 در زمینة پایداری سیستم نگهداری با استفاده از شبکة عصبی بارزتر و معروف‌تر باشد. این فرد از داده‌های تونل‌های راه‌آهن تایوان که در عمق یکسان و در یک سازند زمین‌ شناسی مشخص با قطر یکسان و با روش اتریشی[3]  حفر شده بودند، استفاده کرد و با حذف بسیاری از پارامترهای یکسان یک شبکه عصبی بهینه را مدلسازی کرد.

---

منبع:

Sou-Sen Leu, Chee-Nan Chen, Shiu-Lin Chang, “Data mining for tunnel support stability: neural network approach”, Automation in Construction, 10, (2001), 429–441

---

[1] Rock characteristics

[2] Construction-related factors

[3] New Austrian tunneling method