بررسی تاثیر زبری سطح درزه در مکانیزم شکست و انتشار آن

بازشدگی یا اتساع درزه های سنگی در اثر ناهمواری سطح تحت شرایط بارگذاری همزمان برشی و نرمال پدیده بسیار مهمی است که در مکانیک سنگ و مهندسی سنگ مطرح بوده و به صورت های مختلف رفتار مکانیکی و هیدرولیکی توده سنگ را تحت تاثیر قرار می دهد. در مخازن نفت و گاز این ویژگی ناپیوستگی ها، نفوذپذیری مخزن را کنترل می کند. بگونه ای که هرچه زبری سطح درزه ها تحت شرایط تنش برشی برجا بیشتر باشد، باز شدگی (اتساع) درزه ها بیشتر شده و متعاقب آن نفوذپذیری مخزن افزایش می یابد. در مخازن نامتعارف نفت و گاز در طی فرایند تزریق سیال این خاصیت درزه ها بطور گسترده ای جهت افزایش نفوذپذیری بکار می رود. در سالهای اخیر این ویژگی در صنایع هیدروترمال نیز به منظور بهره برداری از انرژی زمین گرمائی از سنگهای گرم زمین مورد استفاده قرار گرفته است. تاکنون مطالعات گسترده ای بر روی رفتار برشی و هیدرولیکی درزه-های زبر ممتد تحت شر ایط بارگذاری مختلف (رفتار برشی تحت شرایط بار نرمال ثابت و متغییر) انجام شده است. اما شبکه درزه ها در مخازن زمین ساختی بصورت درزه های ناممتد هستند که رفتاری مشابه ترک ناهموار در مقیاس بزرگتر را دارند و لازم است رفتار آنها از منظر مکانیک شکست سطوح زبر مورد بررسی قرار گیرد. به همین منظور در این تحقیق تلاش شد تاثیر زبری سطح ترک بر روی پارامترهای مکانیک شکستی سنگ تحت شرایط بارگذاری همزمان برشی و فشاری نرمال بصورت آزمایشگاهی و عددی مورد مطالعه قرار گیرد. از اینرو نمونه های مناسب سه بعدی شامل ترک ناهموار از نمونه مصنوعی (گچ سیمان) و نمونه طبیعی (ماسه سنگ) تهیه شد و تحت شرایط تنش های نرمال مختلف مورد آزمایش برش قرار گرفت و راستای گسترش ترک در زبری های مختلف و فشارهای نرمال مختلف مورد بررسی و تجزیه تحلیل قرار گرفت. با توجه به اینکه نمونه انتخابی از مدلهای استاندارد موجود جهت محاسبه آزمایشگاهی پارامترهای شکست از قبیل ضریب شدت تنش در نوک ترک تبعیت نمی کند بنابراین از مدل عددی المان محدود توسعه یافته استفاده شده تا تاثیر زبری سطح ترک بر ضریب شدت تنش در نوک ترک مورد مطالعه قرار گیرد. در ادامه سطوح ناهموار ارائه شده توسط بارتن به عنوان ترک زبر انتخاب و اقدام به مدلسازی دوبعدی آنها بر اساس روش المان محدود توسعه یافته بر پایه مکانیک شکست الاستیک خطی گردید و ضریب شدت تنش برشی در نوک ترک تحت بارگذاری برشی و نرمال ثابت و زاویه انحراف شروع گسترش ترک به روش عددی محاسبه گردید. بر اساس نتایج ضریب شدت تنش مد ii در نوک ترکهای زبر دوبعدی، با در نظر گرفتن اثر جهت برش نسبت به دندانه های ناهمواری در سطح ترک، رابطه جدیدی در مکانیک شکست ترکهای زبر تحت شرایط برش ارائه شد. در نهایت در ترکهای ناهموار تاثیر فشار سیال در داخل ترک بر ضریب شدت تنش برشی مورد بررسی قرار گرفت.