نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

Thermo-Mechanical Behavior of Graphene-Reinforced Auxetic Sandwich Beams as an Equivalent Model for Oil-Well Casing Subjected to Geo mechanical Loading

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه فنی و مهندسی-دانشکده مکانیک-دانشگاه تربیت مدرس - تهران-ایران
2 گروه فنی مهندسی ، دانشکده مکانیک ، دانشگاه تربیت مدرس،تهران،ایران
10.22107/ggj.2026.594483.1269
چکیده
Oil-well casing structures operating in deep underground environments are simultaneously subjected to high geomechanical stresses and elevated temperatures, which may significantly reduce their structural stability and service life. This study presents a unified analytical framework for evaluating the thermo-mechanical behavior of advanced oil-well casing systems using an equivalent graphene nanoplatelet-reinforced composite (GPLRC) sandwich beam with a re-entrant auxetic core. The proposed model is formulated based on Reddy’s third-order shear deformation theory, Hamilton’s principle, and the Navier solution to investigate the bending and buckling responses under coupled geomechanical and thermal loading conditions. Temperature-dependent material properties, effective in-situ geomechanical stresses, and thermally induced compressive forces are incorporated into the formulation to realistically represent downhole operating conditions. A comprehensive parametric study is conducted to examine the influences of GPL volume fraction, GPL distribution pattern, auxetic cell angle, geomechanical loading, and temperature on the structural performance of the equivalent casing model. The results demonstrate that increasing the GPL content from 0 to 1% reduces the mid-span deflection by approximately 68% and increases the critical buckling load by about 212%, while the FG-X distribution provides the best overall structural performance. The proposed configuration reaches the adopted linear-response limit at an effective external pressure of approximately 48.5 MPa, and thermo-mechanical buckling occurs at a critical temperature rise of about 242 °C for the highest investigated preload ratio. The findings demonstrate that the combined use of GPL-reinforced face sheets and a re-entrant auxetic core can significantly enhance the stiffness and global stability characteristics of the proposed equivalent sandwich-beam model. Furthermore, the developed analytical framework provides a computationally efficient reduced-order tool for preliminary parametric assessment of casing-related global response modes under representative high-pressure and high-temperature downhole conditions.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

مدل‌سازی تحلیلی رفتار خمش و کمانش تیر ساندویچی با هسته آگزتیک و رویه‌های کامپوزیتی تقویت‌شده با نانوصفحات گرافنی تحت بارگذاری ژئومکانیکی و حرارتی با کاربرد در لوله جداری چاه‌های نفت

نویسندگان English

آرمین خدامی 1
اکبر علی بیگلو 2
1 Department of Technical and Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

سازه‌های لوله جداری چاه‌های نفت در اعماق زمین به‌طور هم‌زمان تحت تأثیر تنش‌های بالای ژئومکانیکی، فشارهای خارجی و دماهای زیاد قرار دارند که این شرایط می‌تواند موجب کاهش پایداری سازه‌ای، افزایش تغییرشکل و کاهش عمر بهره‌برداری آن‌ها شود. در این پژوهش، یک چارچوب تحلیلی یکپارچه برای ارزیابی رفتار ترمومکانیکی این سازه‌ها ارائه شده است. بدین منظور، لوله جداری به‌صورت معادل با یک تیر ساندویچی از جنس کامپوزیت تقویت‌شده با نانوصفحات گرافنی (GPLRC) و دارای هسته آگزتیک بازگشتی مدل‌سازی شده است. فرمول‌بندی مدل بر پایه نظریه تغییرشکل برشی مرتبه سوم ردی، اصل همیلتون و روش حل ناویه انجام شده و رفتار خمشی و کمانشی سازه تحت بارگذاری هم‌زمان حرارتی و ژئومکانیکی بررسی شده است. همچنین، اثر خواص وابسته به دما، تنش‌های ژئومکانیکی برجا و نیروهای فشاری ناشی از افزایش دما در مدل لحاظ شده تا شرایط واقعی درون چاه شبیه‌سازی شود. در ادامه، تأثیر پارامترهایی نظیر کسر حجمی نانوصفحات گرافنی، الگوی توزیع آن‌ها، زاویه سلول آگزتیک، بارگذاری ژئومکانیکی و دما بر عملکرد سازه‌ای بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد افزایش مقدار نانوصفحات گرافنی از صفر به ۱ درصد، خیز میانی سازه را حدود ۶۸ درصد کاهش داده و بار بحرانی کمانش را حدود ۲۱۲ درصد افزایش می‌دهد. همچنین، الگوی توزیع FG-X بهترین عملکرد سازه‌ای را در میان الگوهای بررسی‌شده ارائه می‌کند. بر اساس نتایج، ترکیب لایه‌های رویی تقویت‌شده با نانوصفحات گرافنی و هسته آگزتیک، راهکاری سبک، مقاوم و مؤثر برای افزایش سختی، پایداری و عملکرد ترمومکانیکی لوله‌های جداری چاه نفت بوده و چارچوب تحلیلی ارائه‌شده می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد در طراحی و بهینه‌سازی اولیه این سازه‌ها در شرایط فشار و دمای بالا مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها English

نانوصفحات گرافنی
تیر ساندویچی آگزتیک
بارگذاری ژئومکانیکی
لوله جداری چاه نفت
پایداری ترمومکانیکی
کمانش سازه‌ای کمانش سازه‌ای