مدل محاسبه فشار شکستگی سنگ با چندین حوزه در فرایند شکستن

Calculation Model of Rock Fracture Pressure with Multifields in
the Process of Fracturing

1- مقدمه
2- استنتاج مدل فشار شکستگی سنگ
2-1 تنش موثر سنگ- سنگ از شمار زیادی از ذرات جامد و منافذ بین گرانول تشکیل شده است-
2-2 مدل میدان تنش سوراخ چاه-
2-3 تنش محیط تولیدشده توسط تنش زمین روی دیواره چاه-
2-4- تنش محیطی ناشی از فشار داخلی سوراخ چاه-
2-5 تنش محیطی تولیدشده توسط سیال نفوذکننده و تنش موثر بدنه- جریان شعاعی سیال حفاری در سازند,
2-6 تنش محیطی تولید شده توسط میدانی شیمیایی-
2-7 تنش محیطی تولیدشده توسط میدان دمایی-
2-8 تنش محیطی کلی دیواره یک سوراخ چاه- چون فرض می شود که سنگ سازند,
2-9- مینیمم تنش محیطی ساختار
2-10- تاثیر تنش تکتونیک و تنش رویی بر فشار شکستگی-
3- محاسبه نمونه مدل فشار شکستگی سنگ
3-1 رابطه بین استحکام کششی و محتویات آب-
3-2 مثالی از محاسبه فشار شکستگی سازند-
3-3 اثر محتوای آب روی فشار شکستگی-
4- نتایج

در این مقاله، یک مدل جامع برای محاسبه فشار شکستگی سنگ توسط نظریه تنش موثر دوبل محیط متخلخل ایجاد شده است که عوامل موثر مانند میدان تنش پوسته، میدان تنش هیدراسیون (آبدهی)، میدان درجه حرارت، میدان تنش تکتونیک، تخلخل سنگ و میدان تنش اضافی تولید شده توسط نفوذ سیال حفاری در نظر می گیرد. این مدل جدید, برای پیش بینی فشار شکستگی انواع مختلف سنگ ها قابل کاربرد است. با استفاده از پارامترهای آزمايشگی شکستگی میدان و نتایج تجربی فشرده سازی سه محوره هسته های سنگی با محتویات مختلف آب، می توانیم فشار شکستگی را محاسبه کنیم. در مقایسه با فشار شکستگی اندازه گیری شده در میدان نفتی، نتیجه محاسبه شده در این تحقیق, هماهنگی خوبی را نشان می دهد. علاوه بر این، اثر محتویات آب بر مقاومت کششی و فشار شکستگی تجزیه و تحلیل می شوند. نتایج نشان می دهند که هر دوی مقاومت کششی و فشار شکستگی با افزایش محتویات آب کاهش می یابد، که ناشی از کاهش ویژگی های مکانیکی سنگ ها از طریق هیدراسیون است..
1. مقدمه
فشار شكستگي سازند به فشاري اشاره می کند كه باعث شكست سازند يا شكستگي اصلي مي شود که تحت عمل فشار گل و لای در چاه حفره باز دوباره باز می شود. این مقوله به طور گسترده ای در حفاری سازه چاه، طراحی و بهره برداری از کنترل چاه، شکستگی و افزایش تولید در فرآیند تولید میدان نفتی استفاده می شود. به منظور برآورده سازی تقاضای جامعه برای منابع نفت و گاز، منابع غیرمعمول نفت و گاز مورد بررسی و توسعه قرار گرفته اند. این ساختار زمین شناسی در حال پیچیده شدن هستند، و از میدان شیمیایی [1-3]، میدان درجه حرارت [4,5]، میدان نفوذ [6]، و تنش تکتونیک [7] تاثیر می پذیرد. چگونگی به دست آوردن فشار شکستگی سازند دقیق و تولید راهنما، بسیار حیاتی و مشکل تر شده است [8[.
محققان, بسیاری از مدل ها را برای پیش بینی فشار شکستگی سازند پیشنهاد داده اند. آندرسون [9] از ثبت های چاه های برای محاسبه فشار شکستگی استفاده کردند. Li [10] یک مدل فشار شکستگی را توسط تئوری تنش موثر دوبل [11] پیشنهاد کرد، که ترکیبی از مزایای هر دو فرمول فشار شکستگی H-F [12] و فرمول فشار شكستگی H-W [13] را به همراه دارد؛ تئوری تنش موثر دوبل به طور گسترده در بسیاری از حوزه ها مانند نفت، سنگ، ذغال سنگ و مهندسی فنداسیون [14-16] مورد استفاده قرار گرفته است. در مقایسه با مدل Li، هوانگ [7] رابطه بین تنش رویی و عمق، تنش تکتونیکی و استحکام سنگ را در نظر گرفت. با این حال، هر دو مدل لی و مدل هوانگ, تاثیر حوزه های شیمیایی و درجه حرارت را در نظر نگرفتند. یان [17] یک مدل ساده برای محاسبه فشار شکست را با توجه به تنش هیدراسیون خلق کرد که دقت پیش بینی را بهبود بخشید. لی [4] مدل ریاضی برای تنش اضافی حرارتی تولید شده توسط تغییر دما بر روی آستر شفت ایجاد کرد و روش محاسبه فشار اضافی شکستگی را که باعث تغییر دما شده است را پیشنهاد کرد. دنگ [18], یک مدل محاسبه فشار شکستگی برای تشکیل درجه حرارت بالا و فشار بالا ایجاد کرد که در آن, تغییرات درجه حرارت حفره چاه و نفوذ پذیری حفره چاه را مورد توجه قرار داد، اما تاثیر میدان علت شیمیایی را در نظر نگرفت نشده است و فقط برای ماسه سنگ استفاده می شود.

In this paper, a comprehensive model to calculate the rock fracture pressure by the theory of double efective stress of porous medium is established, which considers such efective factors as the crustal stress feld, hydration stress feld, temperature feld, tectonic stress feld, the porosity of rock, and additional stress feld generated by seepage of drilling fuid. Tis new model is applicable to predict the fracture pressure of diferent types of rocks. Using the experimental parameters of feld fracturing and the experimental results of three-axis compression of rock cores with diferent water contents, we may get the calculated fracture pressure. Compared with the measured fracture pressure in the oilfeld, the result calculated in the present study shows good agreement. Besides, the efects of water contents on the tensile strength and fracture pressure are analyzed. Results show that both the tensile strength and fracture pressure decrease with the increase of water contents, which is due to the reduction of the mechanical properties of rocks by hydration.

1. Introduction

Formation fracture pressure refers to the pressure which causes formation fracture or original fracture to be reopened under the action of mud string pressure in the open hole well. It is widely used in drilling well structure, well control design and operation, fracturing, and increasing production in oilfeld production process. In order to meet the society’s demand for oil and gas resources, unconventional oil and gas resources have been explored and developed. Te geological structure is becoming complex, which is afected by the chemical feld [1–3], temperature feld [4, 5], seepage feld [6], and tectonic stress [7]. How to obtain accurate formation fracture pressure and guide production become more critical and difcult [8].

Scholars have put forward many models to predict the formation fracture pressure. Anderson [9] used the well logs to calculate fracture pressure. Li [10] proposed a fracture pressure model by the double efective stress theory [11], which combines the advantages of both H-F fracture pressure formula [12] and the H-W fracture pressure formula [13]; the double efective stress theory has been widely applied in many felds such as oil, rock, coal, and foundation engineering [14–16]. Compared with Li’s model, Huang [7] considered the relationship between overlying stress and depth, tectonic stress and rock strength. However, both Li’s model and Huang’s model did not consider the infuence of chemical and temperature felds. Yan [17] built a simple model for calculating the fracture pressure considering hydration stress, which improved the prediction accuracy. Li [4] established the mathematical model of additional thermal stress produced by temperature change on the shaf lining and proposed the calculation method of additional fracture pressure caused by temperature change. Deng [18] established a fracture pressure calculation model for high temperature and high pressure formation, which took into account the variation of wellbore temperature and wellbore permeability, but it did not consider the infuence of chemical feld and it is only ft for sandstone..

تعیین کمیت توده سنگ در یک معدن نیکل زیرزمینی عمیق

Quantifying rock mass bulking at a deep underground nickel mine

1 Introduction

In deep underground mining and construction, high stress-induced rock fracturing is inevitable.1 Rock near the boundary of an excavation is confined in the tangential direction, and the volume increase due to rock failure is often translated into a significant convergence of the excavation boundary, and this phenomenon is known as rock mass bulking.2 Fig. 1 shows how the periphery of an excavation can deform from the original shape (shown as a dashed line) to a new shape (shown as the solid interior line), as a result of an increase in volume of the shaded failed zone. Rock mass bulking can cause problems when the wall displacement exceeds the displacement capacity of the support elements.3,4 In extreme cases the wall deformation can be very large, reducing the effective span of the drift and making the drift unsuitable for mining access. Thus, it is important to predict and manage rock mass bulking when mining in highly stressed grounds.

2- Geological setting and description of the observation site

2-1 Geological setting

Creighton Mine, which is owned and operated by Vale, is a deep underground nickel mine located in the Sudbury Basin. The mine has been in continuous production for more than a century with current active mining levels at depths of 2.3–2.5 km. The mine is seismically active8 and managing seismic risk and controlling rockburst damage are challenging tasks facing the mine as mining progresses to deeper levels.

Creighton Mine is located in the southeast corner of an embayment of a nickel irruptive into the footwall rocks. In general, the lower norite member of the main irruptive is the hangingwall of the orebody. The footwall rocks are metavolcanics of the Elsie Mountain Formation, Lower Huronian in age and intruded by granite/gabbros. The orebody (OB) at depth is generally steeply dipping within high grade massive and inclusion massive sulfides adjacent to the barren granites and gabbros and a gradational lower grade hangingwall zone. Structurally controlled, the orebody has gradually shifted into two distinct production areas below the 2340 m production level. Massive and inclusion massive sulphides are high grade and copper rich, considerable shearing and quartz veining exists throughout the third production front at depth. Quartz veining and shearing, often infilled with quartz carbonate, is typically inter-connected through the footwall rocks by a family of distinct splays, influencing how mining-induced stresses are redistributed and contribute to mine seismicity.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی:

کانی‌های شاخص شامل برخی از کانی‌هایی هستند که وقتی به صورت ذرات انتقال یافته در رسوبات کلاستیک ظاهر می‌شوند، نشان دهنده حضور در سنگ بستر با نوع خاص کانی‌سازی، تناوب هیدروترمال و یا لیتولوژی می‌باشند. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن‌ها از جمله چگالی نسبتا بالا، موجب تسهیل حفاظت و شناسایی آن‌ها شده و امکان بازیابی آن‌ها را از محیط‌های نمونه‌گیری نظیر یخرفت‌ها، رسوبات رودخانه‌ای یا خاک تولید کننده با اهداف اکتشافی بزرگ در اختیار می‌گذارد. دیگر چالش اصلی استفاده از روش‌های مطالعه کانی شاخص این است که مورفولوژی ذرات، بافت سطحی و یا شیمی کانی را می‌توان برای بدست آوردن اطلاعات در مورد فاصله انتقال و منبع سنگ بستر به دست آورد. مطالعه کانی‌های شاخص به یک روش اکتشاف مهم در 20 سال گذشته تبدیل شده و در حال حاضر برای شناسایی طیف وسیعی از رسوبات کانسنگی از جمله الماس، طلا، نیکل، مس، PGE، مس پورفیری، سولفید و نهشته‌های تنگستن به کار می‌رود. یکی از مهم‌ترین رویدادها در کاربرد روش‌های مطالعه کانی شاخص در طی 10 سال گذشته، فعالیت اکتشافی الماس در حوضه یخچالی کانادا و تغییرات حاصله در روش‌های نمونه برداری و فرآوری و شناسایی کانی‌های شاخص کیمبرلیت بوده است. در عین حال،پیشرفت های فناوری منجر به افزایش پیچیدگی تعیین خصوصیات شیمیایی کانی‌ها برای همه کانی‌های شاخص شده است . این مقاله مروری کلی بر روش های کانی های شاخص و کاربرد آن ها در طیف وسیعی از نقاط در 20 سال گذشته با تاکید بر اکتشاف طلا و الماس دارد.
لغات کلیدی: کانی های شاخص، ذرات طلا، کانی های شاخص کیمبرلیت، رسوبات رودخانه ای
کانی های شاخص، گونه های معدنی هستند که حضور ذخایر و نهشته های معدنی خاص، و تغییرات و یا لیتولوژی سنگ را نشان می دهند. کانی های شاخص ایده ال در سنگ ها بیشتر از نهشته های میزبان یا لیتولوژی یافت می شو.ند. خصوصیات فیزیکی و شمیایی آن ها موجب شده است تا بتوان آن ها را به آسانی از محیط های نمونه اکتشاف( نظیر رودخانه، آبرفت، رسوبات بادی و یخچالی یا خاک ها) کشف کرد و در عین حال باعث افزایش فراوانی آن ها شده است. خصوصیات شامل، تفاوت های ظاهری، چگالی متوسط تا بالا، اندازه سیلت و شن و توانایی بقا تحت هوازدگی و انتقال کلاستیک می باشد. اغلب اوقات، تنها وفور کانی شاخص در یک نمونه گزارش می شود با این حال، مورفولژی ذره، بافت سطحی و شیمی آن نیز تعیین می شود. روش های کانی های شاخص از روش های ژئوشییمایی سنتی برای خاک، رسوب رودخانه یا نمونه برداری تیل متفاوت می باشند زیرا دانه های شاخص منعکس کننده خصوصیات انتشار مکانیکی بوده و تک تک ذره ها بررسی و شمارش می شوند. بیشترین مزیت روش های کانی های شاخص نسبت به روش های ژئوشییمیایی کانی های سنگین، این است که ذرات کانی ها قابل رویت بوده و می توانند ازمایش شوند. مزیت های استفاده از کانی های شاخص شامل موارد زیر هستند:1-توانایی شناسایی هاله ها یا پلوم های بزرک تر از هدف معدتی شده از جمله تغییرات مربوطه، شواهد فیزیکی در رابطه با حضور معدنی شدن یا تغییر 3- توانایی ارایه اطلاعاتی در مورد منابعی که روش های ژئوشیمیایی سنتی نمی توانند آن ها را بررسی کنند از جمله ماهیت کانسنگ، تغییر یا نزدیکی به منبع 4- حساسیت به تشخیص یک تعدادی از دانه ها، معادل با وفور کانی های شاخص سطح PPB، حتی در مناطقی که سنگ های منطقه ای با کانی های سنگین غیر شاخص رقیق می شوند 5- توانایی شناسایی و حذف آلاینده های انسانی.
روش های کانی های شاخص برای هزاران سال استفاده شده اند از جمله جست و جوی نهشته های طلا، مس و سنگ های قیمتی. ( اتسنسن و تبالد 1994). امروزه، روش ها را می توان برای کشف طیف وسیعی از ذخایر، انواع سنگ و یا رگه های زمین شناسی استفاده کرد و برخی از آن ها توسط فریدریخ و همکاران 1992، استندل و همکاران، 1994 ارایه شده اند. برای مثال، شلیت و ولفرمیت شاخص نهشته های تنگستن( لیندمارک 1977، استندل 1982، تورد 1984، جانسون و همکاران 1986)، سولفور سیماب به عنوان شاخص جیوه ( پولف 2001) یا کانی سازی طلا ( استندل و تربلد 1994)، و کاسیتریت برای مسیر یابی نهشته های قلع( زانتوپ و نسپریا 1979، ریان و همکاران 1988) استفاده شده اند. فلوریت شاخص کانی سازی تنگستن، اسکارن، رسوبات مس و روی نوع دره می سی سی پی یا گریزن می باشد و توپاز را می توان برای مسیر یابی گریزن، ملیبدنوم یا رسوبات قلع استفاده کرد. گارنت-کروم و اسپینل-کروم شاخص های نهشته های مس و نیکل ( آمو و سالونن 1986، پلتونن و همکاران 1992، کریم زاده سومارین 2004) می باشند و کیمبرلیت و اسپینل روی شاخص نهشته های پلی متالیک در گسل ها( آلارد و کارپنتر 1988، موریس و همکاران 1997) می باشند. تاکید این مقاله بر کاربرد روش های کانی های شاخص برای کشف طلا و الماس می باشد زیرا ایت روش های کانی های شاخص اهمیت خود را به خوبی اثبات کرده اند و در مناطق مختلف استفاده شده و کاربرد آن ها طی 20 سال گذشته به شدت افزایش داشته است.
روش های نمونه برداری
فراوانی کانی های شاخص در رسوبات بستگی به مقدار کانی های شاخص اصلی در سنگ منبع، درجه هوازدگی بعد از تشکیل منبع کانی های شاخص و مکانیسم های انتقال و پراگنش رسوب(آبرفتی، یخچالی و بادی) دارد. همه این عوامل را باید ضمن برنامه ریزی برای راهبرد های نمونه برداری ( محیط نمونه، اندازه و فاصله نمونه برداری) در نظر گرفت.
محیط نمونه برداری
انتخاب محیط نمونه برداری بستگی به اقلیم، توپوگرافی و اندازه منطقه مورد نمونه برداری دارد. به طور کلی، حد اقل 10 تا 20 کیلوگرم رسوب برای بررسی کانی های سنگین برداشته می شود. در حوزه های یخچالی، تیل ها برای مطالعات کانی های شاخص استفاده می شوند که به دلیل تاریخچه نمونه برداری ساده و توزیع گسترده آن هاست این در حالی است که رسوبات آبرفتی یخچالی را می توان طوری نمونه برداری کرد که به یک براورد کلی منطقه ای رسید. رسوبات رودخانه ای نیز در مناطق یخچالی، حاره ای و خشک استفاده می شوند. با انتقال مواد به پایاب، یا پاییین دست رودخانه، کانی های سنگین در مینی پلیسر ها بر طبق گفته فلشر و لاه 1996 متمرکز می شوند که این موجب افزایش کانترست و طول انتشار کانی های سنگین در پایین دست شده و از این روی موجب بزرگ تر شدن هدف و استفاده از کاهش تراکم نمونه برداری طی مطالعات اولیه می شود. در مناطق خشک، رسوبات رودخانه ای به صورت رسوبت ورقه ای در مخروط افکنه های آبرفتی و دشت های سیلابی قرار دارند و این نهشته ها محیط نمونه برداری بهینه و مطلوبی هستند. رسوبات بادی را نیز می توان در مناطق خشک نمونه برداری کرد زیرا که در این مناطق رسوبات رودخانه ای وجود ندارند. خاک های لاتریت را می توان در مناطق حاره ای و نیمه حاره ای نمونه برداری کرد.
روش های نمونه برداری
روش های نمونه برداری مورد استفاده در حوزه های یخچالی توسط هیرواس و نانون 1990، گارنه و همکاران 1992، مک مارتین و مگ کلانگن 2001 توصیف شده اند. در مناطق با پوشش یخچالی نازک، تیل ها را می توان از چاله های دستی، گودال های کنده شده با بیل، مقاطع در امتداد رودخانه یا خط ساحلی دریاچه ها یا کمر بند های جاده ای یافت. در صورتی که ضخامت به بیش از 5 متر برسد، حفاری برای دسترسی به تیل زیر سطحی لازم است. روش های نمونه برداری رسوبات رودخانه ای برای کانی های سنگین توسط اتنسن و تبلاد 1994، استنندل و تبالد 1994 مرور شده اند. رسوبات رودخانه ای شامل رسوبات در رودخانه های فعال، در نهشته های ابرفتی بر روی دشت های سیلابی مجاور ابراهه های فعال و رسوبات لایه نازک در مخروط افکنه ها و دشت های سیلابی هستند. آبراهه های درجه اول و دوم در سراب یا بالادست رودخانه ها نمونه برداری شدند. بات و زاگرس 1992 به توصیف روش های نمونه برداری برای خاک های لاتریت پرداختند که در اقلیم های حاره ای و نیمه حاره ای یافت می شوند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

ABSTRACT: Indicator minerals are mineral species that, when appearing as transported grains in clastic sediments, indicate the presence in bedrock of a specific type of mineralization, hydrothermal alteration or lithology. Their physical and chemical characteristics, including a relatively high density, facilitate their preservation and identification and allow them to be readily recovered at the parts per billion level from sample media such as till, stream sediments or soil producing large exploration targets. Another major advantage of indicator mineral methods is that grain morphology, surface textures or mineral chemistry may be examined to obtain information about transport distance and bedrock source. Indicator minerals have become an important exploration method in the past 20 years and now include suites for detecting a variety of ore deposit types including diamond, gold, Ni–Cu, PGE, porphyry Cu, massive sulphide, and tungsten deposits. One of the most significant events in the application of indicator mineral methods in the past 10 years was the explosion in diamond exploration activity in the glaciated terrain of Canada and the resultant changes in sampling and processing methods and improved understanding of kimberlite indicator minerals. At the same time, technological advances have led to increased sophistication of determining indicator mineral chemistry for all indicator minerals. This paper provides an overview of indicator mineral methods and their application in a variety of terrains in the past 20 years, focusing on gold and diamond exploration. KEYWORDS: indicator minerals, drift prospecting, gold grains, kimberlite indicator minerals, stream sediments INTRODUCTION Indicator minerals are mineral species that indicate the presence of a specific mineral deposit, alteration or rock lithology. Ideal indicator minerals are found in few if any rocks other than the host deposit or lithology. Their physical and chemical characteristics allow them to be readily recovered from exploration sample media (e.g. stream, alluvial, glacial or aeolian sediments or soils) and make them sufficiently abundant. The characteristics include: visual distinctiveness, moderate to high density, silt or sand size, and ability to survive weathering and/or clastic transport. Most often, only indicator mineral abundance in a sample is reported; however, grain morphology, surface textures or mineral chemistry also may be determined. Indicator mineral methods differ from traditional geochemical methods for soil, stream sediment or till sampling in that the indicator grains reflect mechanical dispersion/dispersal and the individual grains are visually examined and counted. The greatest advantage of indicator mineral methods over traditional geochemical analysis of the heavy mineral, or some other fraction, is that the mineral grains are visible and can be examined. The resulting benefits of using indicator minerals are: (1) the ability to detect haloes or plumes much larger than the mineralized target including associated alteration; (2) physical evidence of the presence of mineralization or alteration; (3) the ability to provide information about the source that traditional geochemical methods cannot, including nature of the ore, alteration, and proximity to source; (4) sensitivity to detect only a few grains, equivalent of ppb-level indicator mineral abundances, even in regions where regional rocks dilute concentrates with non-indicator heavy minerals; and (5) the ability to visually identify and remove anthropogenic contamination (Brundin & Bergstrom 1977; Averill 2001).