بررسی رفتار خزشی نمونه هایی از سنگ گچ سازند گچساران در شرایط دمای محیط و دمای پوش سنگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه زمین شناسی مهندسی، دانشکده علوم، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد، گروه زمین شناسی مهندسی، دانشکده علوم، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

شناخت رفتار خزشی سنگ در پوش‌سنگ های تبخیری به‌منظور بررسی همگرایی در جداره چاه‌های نفتی اهمیت زیادی دارد. به‌طورکلی در بین سنگ‌های تبخیری رفتار خزشی ژیپس و انیدریت نسبت به هالیت‌ها کمتر بررسی شده‌اند. ازآنجاکه دسترسی به مغزه‌های چاه‌های حفاری‌شده نفتی در سازند گچساران بسیار مشکل و هزینه‌بر می‌باشد، در این تحقیق از رخنمون‌های سطحی بخش 1 سازند گچساران نمونه‌برداری صورت گرفت تا مغزه‌های لازم جهت انجام آزمایش‌های مقاومت فشاری تک‌محوری و خزش تهیه شوند. روی مغزه‌ها انجام گرفت تا مقدار تنش آغازین جهت آزمایش خزش مشخص گردد. در ادامه، بر اساس مقاومت فشاری تک‌محوری و متوسط دمای حاکم بر پوش‌سنگ‌ها، آزمایش‌های خزش چندمرحله‌ای تک‌محوری از نوع تنش ثابت در دو دمای آزمایشگاه و محیط پوش‌سنگ و در دو سطح تنش آغازین 0.1 تنش تسلیم و 0.75 تنش تسلیم انجام شدند. سپس برازش معادلات خزشی نمایی و توانی (پاورلاو) بر روی داده‌های خزش انجام گرفت. نتایج آزمایش‌ها حاکی از تنش تسلیم خزشی به مقدار 12 مگاپاسکال برای ژیپس و 20 مگاپاسکال برای انیدریت پورفیری بوده است. بر اساس این آزمایش‌ها، حد ویسکوز خطی برای خزش ژیپس و انیدریت به ترتیب برابر با 5.5 الی 6.7 مگاپاسکال و 9.8 الی 15.15 مگاپاسکال بدست آمد. ضمناً ژیپس تحت دما در مقایسه با انیدریت، پلاستیسیته و خزش یکنواخت بیشتری نشان داد. درحالی‌که برای انیدریت، آستانه خزش شتابدار پایین آمده و از تداوم زمان خزش نیز کاسته شد. نهایتاً علاوه بر بررسی رفتار خزشی ژیپس و انیدریت، مقایسه‌ای بین خواص رئولوژیکی و تعیین معادله خزشی این دو نوع سنگ نیز انجام شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigating the creep behavior some gypsum and anhydrite rock samples of Gachsaran formation under room and sealrock temperature conditions

نویسندگان [English]

  • Javad Ahmadzadeh 1
  • Gholamreza Lashkaripour 2
  • Mohammad Ghafoori 2
  • Naser Hafezi Moghaddas 2
1 Engineering Geology Department, Ferdowsi University of Mashhad, Iran
2 Department of Geology, Faculty of Science, Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

It is very important to know the rock creep behavior in the evaporitic cap rocks in order to investigate the convergence in oil wells. In general, among evaporitic rocks, the creep behavior of gypsum and anhydrite has been less investigated compared to halite, which are investigated in this research. Since accessibg to the cores of oil wells drilled in Gachsaran Formation is very difficult and expensive, in this research, sampling was done from the surface outcrops of section 1 of Gachsaran formation. For this purpose, blocks were prepared from gypsum and anhydrite and then cored from them in the laboratory. First, unconfined compressive strength (UCS) tests were performed on cores to determine the amount of initial load for uniaxial multi-stage creep test. Next, based on the UCS results and the approximate temperature conditions of cap rock, creep tests were performed at two temperature conditions of the laboratory and cap rock environment. Then, based on the data obtained from the creep tests, fitting the exponential and Powerlaw creep equations was done on gypsum and anhydrite. The results show the creep yield stress of 12 MPa for gypsum and 20 MPa for anhydrite. Also the creep tests was performed at two levels of initial stress 0.1 yield stress and 0.75 yield stress in UCS test. Based on these tests, the linear viscous limit for creep of gypsum and anhydrite was obtained as 5.5 to 6.7 MPa and 9.8 to 15.15 MPa, respectively. In addition, gypsum shows more uniform plasticity and creep under temperature compared to anhydrite. This is while in the anhydrite, the threshold of accelerated creep is lowered and the creep time is reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gypsum
  • Anhydrite
  • compressive strength
  • Creep test
  • Temperature
  • Creep equation

مراجع

[1] Weijermars, R., Jackson, M.P.A. & Dooley, T.P., 2013. Quantifying drag on wellbore casings in moving salt sheets, Geophys. J. Int., 198(2): 965-977.
[2] Taheri,. S.R., Pak, A., Shad, S., Mehrgini, B., Razifar, M., 2020. Investigation of rock salt layer creep and its effects on casing collapse. Int J of Mining Sci and Technol, 30: 357–365.
[3] Mohammadi, S., Sedaghatzadeh, M., Pourafshary, P., 2020. Solid-geo-mechanical investigation of the effect of salt creep on casing stability using finite element method: a case study. SN Applied Sciences. 2, 1268. Doi: 10.1007/s42452-020-3083-7.
[4] Zoback, M., 2008. Reservoir Geomechanics. Cambridge Univ Press.
[5] Marinos, P., Hoek, E., 2001. Estimating the geotechnical properties of heterogeneous rock masses such as flysch. Bull. Eng. Geol. Environ., 60, 85–92.
[6] CGS (Canadian Geotechnical Society), 1985. Canadian Foundation Engineering Manual. Part 2, second ed. Vancouver, British Columbia, Canada.
[7] ISRM, 2007. The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 1974–2006. In: Ulusay R, Hudson JA (eds) Suggested methods prepared by the commission on testing methods,  international  society  for  rock  mechanics,  compilation arranged by the ISRM Turkish National Group, Ankara, Turkey.
[8] Bell, F.G., 1981. “Geotechnical properties of some evaporitic rocks”, Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 24, pp 137-144.
[9] Hangx, S., Spiers, C., Peach, C., 2009. The mechanical behavior of anhydrite and the effect of Co2 injection. Energy Procedia, 1: 3485-3492.
[10] Karacan, E., Yilmaz, I., 2000. “Geotechnical evaluation of Miocene gypsum from Sivas (Turkey)”, Geotechnical and Geological Engineering, 18: 79-90.
[11] Hashemi, M., Saki, A., Nikudel, M.R., 2020. Effects of chemical composition on the solubility and geomechanical characteristics of gypsum rocks from Gachsaran Formation, Iran. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. Doi: 10.1007/s10064-020-01794-y.
[12] Pourmorad, S., Jokar, A., Jahan, S., 2021. Determination of key beds from the cap rocks of oil reservoirs using a novel method, Case study: The Gachsaran Formation, Southwest Iran. Lithology and Mineral Resources, 56: 559-578.
[13] Alizadeh, B., Maroufi, K., Fajrak, M., 2018. Oil-oil correlation, geochemical characteristics, and origin of hydrocarbons from Mansourabad oilfield, SW Iran. J of African Earth Sciences. DOI: 10.1016/j.jafrearsci.2018.06.008.
[14] Mehrgini, B., Memarian, H., Dusseault, M., Ghavidel, A., Heydarizadeh, M., 2016. Geomechanical characteristics of common reservoir caprock in Iran (Gachsaran Formation), experimental and statistical analysis. J of Nat Gas Sci and Eng, 34: 898-907.
[15] Ghavidel, N.A., Nezam, A., Heydarizadeh, M., Moosavi, M., Memarian, H., 2014. Identification of rheological behavior of salt rock at elevated temperature, Case study: Gachsaran evaporative formation, Iran. ISRM Regional Symposium – EUROCK, Vigo, Spain.
[16] مهرگینی، ب.، 1395. بررسی رفتار پوش‌سنگ مخزن آسماری در اثر فشار افزایی ناشی از تزریق گاز به منظور افزایش بهره‌برداری. رساله دکتری. دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران، 195 ص.
[17] Ghodusi, F., Jalalifar, H., Jafari, S., 2019. Analysis of the casing collapse in terms of geomechanical parameters and solid mechanics. J of Chemical and Petrol Eng, 53(2): 211-225.
[18] Dehghan, A.N., Khodaei, M., 2021. The effect of rock salt creep behavior on wellbore instability in one of the southwest iranian oil fields. Arab Geosci, 14, 2079.
[19] ASTM D4543-08, 2008. Standard practices for preparing rock core as cylindrical test specimens and verifying conformance to dimensional and shape tolerances. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
[20] ASTM  D7012-14, 2014.  Standard test method for compressive strength and elastic moduli of intact rock core specimens under varying states of stress and temperatures. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
[21] Hoxha, D., Homand, F., Auvray, C., 2006. Deformation of natural gypsum rock: Mechanisms and questions. Engineering Geology, 86: pp: 1-17.
[22] Bartel, E. M., Neubauer, F., Heberer, B., Genser, J., 2014. A low-temperature ductile shear zone: The gypsum-dominated western extension of the brittle Fella-Sava Fault, Southern Alps. J. of Structural Geology, 69:18-31.
[23] Griggs, D., 1939. Creep of Rocks. The J of Geology, 47(3): 225-251.
[24] Craker, W.E., Schiller, K.K., 1962. Plastic deformation of gypsum. Nature, 193: 672-673.
[25] Jeremic, M.L., 1994. Rock Mechanics in Salt Mining. CRC Press.
[26] وحدت، ر.، 1391. بررسی تغییرشکل پذیری مصالح ژیپس تحت شرایط مختلف. پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران، دانشکده فنی دانشگاه زنجان. 93 ص.
[27] Dudley, J.W., Brignoli, M., Crawford, B.R., Ewy, R.T., Love, D.K., McLennan, J.D., Ramos, G.G., Shafer, J.L., Sharf-Aldin, M.H., Siebrits, E., Boyer, J., Chertov, M.A., 2016. ISRM Suggested Method for Uniaxial-Strain Compressibility Testing for Reservoir Geomechanics. Rock Mech Rock Eng, 49:4153–4178.
[28] Ghobadi, M.H., Mohamadian, M., Mohseni, H., Karami, R., 2013. Effects of engineering geological properties of Gachsaran Formation gypsum on karst development (Khuzestan, Ramhormoz). Journal of Iranian association of Engineering Geology. Vol. 6(3-4):1-16. (in farsi).
[29] Caselle, C., Bonetto, S., Colombero, C., Comina, C., 2019. Mechanical properties of microcrystalline branching selenite gypsum samples and influence of constituting factors. J of Rock Mech and Geotech Eng 11: 228-241
[30] ASTM D-4406, 1996. Test Method for Creep of Cylindrical Rock Core Specimen in Triaxial Compression. ASTM International, USA.
[31] Aydan, Ö., Ito, T., Özbay, U., Kwasniewski, M., Shariar, K., Okuno, T., Özgenog˘lu, A., Malan, D.F., Okada, T., 2014. ISRM Suggested Methods for Determining the Creep Characteristics of Rock. Rock Mech Rock Eng. 47: 275–290.
[32] زینل‌زاده، ا.، 1387. مدل‌سازی حرارتی مقطع عرضی تاقدیس گچساران. مجله علوم دانشگاه شهید چمران اهواز. جلد 19(ب): ص 46-59.
[33] گرجیان، م.، موسوی، م.، معماریان، ح.، میرمحمدلو، ع.، 1389. تأثیر دما بر خصوصیات ژئومکانیکی انیدریت‌های سازند تبخیری گچساران. چهاردهمین همایش انجمن زمین‌شناسی ایران. شهریورماه سال 1389، دانشگاه ارومیه.
[34]موسوی حرمی، ر.، محبوبی، ا.، امیری بختیار، ح.، باوی عویدی، ع.، 1388. تاریخچه رسوب‌گذاری سازند گچساران (پوش‌سنگ مخزن آسماری) در میدان نفتی آب تیمور. پژوهش نفت، سال 19، جلد 60: ص 30-43.
[35] Jaeger, J. L., Cook, N.G.W., Zimmeman, R.W., 2007. Fundamentals of rock mechanics.  Blackwell Publishing, Fourth Edition.
[36] Liang, W., Yang, X., 2012. Experimental study of mechanical properties of gypsum soaked in brine. Rock Mechanics and Mining Sciences, 53: 142-150.
[37] Medvedev G.A., Caruthers J.M., 2015. Stochastic Model Prediction of Nonlinear Creep in Glassy Polymers, Polymer, doi: 10.1016/j.polymer.
[38] Cristescu, N.D., Hunsche, U., 1998. Time effects in Rock Mechanics. John Willey & Sons.
[39] Altenbach, H., Gorash, Y., Naumenko, K., 2008. Steady-state creep of a pressurized thick cylinder in both the linear and the power law ranges. Acta Mechanica, 195: 263–274.
[40] Aydan, O., Akagi, T., Kawamoto, T., 1996. The squeezing potential of rock around tunnels: theory and prediction with examples   taken   from   Japan.   J   Rock   Mech   Rock   Eng, 29(3):125–143.
[41] Singh, A.K., Balasingh, C., Mao, H.K., Hemley, R.J., Shu, J., 1998. Analysis of lattice strains measured under nonhydrostatic pressure. J Appl Phys, 83:7567–7575.
[42] Jones, D.R.H., Ashby, M.F., 2019. Engineering Materials: An Introduction to Properties, Applications and Design. Fifth Ed., Elsevier. 564 p.
[43] May, D.L., Gordon, A.P., Segletes, D.S., 2013. The application of the Norton-Bailey law for creep prediction through power law regression. Proceedings of ASME Turbo Exposition 2013: Turbine Technical Conference and Exposition, San Antonio, Texas, USA.
[44] Zulauf, J., Zulauf, G., 2004. Rheology of plasticine used as rock analogue: the impact of temperature, composition and strain. J of Structural Geology, 26: 725–737.
[45] Ghanadian, M., Faghih, A., Abdollahie Fard, I., Kusky, T., Maleki, M., 2017. On the role of incompetent strata in the structural evolution of the Zagros Fold-Thrust Belt, Dezful Embayment, Iran. Marine and Petroleum Geology 81: 320-333.
[46] زمانی، ن.، فاتحی مرجی، م.، سلطانیان، ح.، عبدالهی پور، ا.، 1398. آنالیز برگشتی پارامترهای ژئومکانیکی مدل برگر و شبیه‌سازی آزمایش خزش تک‌محوره سنگ نمک میدان نفتی کوپال با استفاده از FLAC3D، سومین کنفرانس ملی ژئومکانیک نفت، تهران.
[47] کریمی، م.ر.، 1385. بررسی علل مچالگی لوله‌های جداری میدان نفتی مارون. بیست و نهمین گردهمایی علوم زمین، سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور.
[48] هاشمی، ص.، سلیمانی، ب.، ناصری کریموند، ف.، 1394. بررسی دلایل مچالگی لوله‌های جداری و تغییرات فشار سازندی زون 4 بخش 7 سازند گچساران در میدان نفتی مارون. نشریه پژوهش نفت، جلد  25، شماره 2-85.
[49] قبادی، م.ح.، احمدزاده، ج.، طالب بیدختی، ع.، 1393. بررسی رفتار خزشی درازمدت انیدریت سازند گچساران در مقیاس آزمایشگاهی. سی و سومین گردهمایی علوم زمین، سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور.
[50] Bérest, P., Karimi-Jafari, M., and Brouard, B., 2005. Transient Creep in Salt Caverns, In Proceedings of 2005 ASME/ASCE/SES Conference on Mechanics and Materials, Louisiana,USA.
[51] Hunsche, U., Hampel, A., 1999. Rock salt — the mechanical properties of the host rock material for a radioactive waste repository. Engineering Geology, 52: 271–291.
[52] Tang, L., Zhao, Y., Liao, J., Liu, Q., 2020. Creep Experimental Study of Rocks Containing Weak Interlayer Under Multilevel Loading and Unloading Cycles. Frontiers in Earth Science, 8: 1-14.
[53] Hosseini, S.M.A., Sereshki, F., Shariati, M., Jalali, S.M.E., Crotogino, F., 2012. Development of a new creep testing equipment to obtain long-term deformation parameters of salt. J of Mining & Environment,  3(1): 27-32.
نشریه علمی ژئومکانیک نفت
دوره 6، شماره 1
فروردین 1402
صفحه 52-65

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار