An investigation in Mechanical Constitutive Theories for non-metal brittle material

The numerical simulation of penetration into rock is an important tool to gain in-sights into rock drilling mechanisms, since it can be exploited as an alternative to the expensive field testing in the pertinent fields of engineering. Developing a reliable numerical modelling technique able to deal with the dynamic bit-rock interaction process, is considered as an important challenge for fracture assessment of the geo-logical materials. This research aims to present an innovative computer simulation of rock penetration process on the basis of a finite element method (FEM) coupled to smooth particle hydrodynamics (SPH). The mechanical behavior of a quasi-brittle material, namely Pietra Serena sand-stone, are investigated both numerically (Finite Element Method) and experimentally in order to build a reliable numerical modelling environment aimed to be transferred to more complex cases. Karagozian and Case Concrete (KCC) model is exploited as material constitutive law. A method which demonstrates the utilization of this model to simulate quasi-brittle materials with efficiency and accuracy is discussed in this thesis. The capability of this model is critically evaluated by comparing the results of numerical simulations and the corresponding experimental results and a critical as-sessment of the method is reported. Several experimental tests are exploited within this research work on a medium range sandstone for material parameter identification and validating the numerical method. The comparison of the numerical and experimental results obtained led to the conclusion that the FEM-coupled to-SPH method in conjunction with the fully calibrated KCC material model is a reliable method for the study of rock penetration under extreme condition due to its ability to deal with large deformations and its real-istic constitutive modelling. The modelling approach was then applied to estimate the required force to pene-trate a given (offshore) reservoir rock block under the in-situ confining pressure with a double conical tool up to a certain depth. Finally, a percussive drilling problem was simulated with a triple button-bit on a rock specimen at different drilling depth be-low seabed. The effect of several design parameters was investigated, which can be used further in the research and development sectors of the petroleum industries.

L’utilizzo di simulazioni numeriche al fine di valutare la penetrazione di un indentatore nella “roccia” è uno strumento importante per ottenere informazioni sui meccanismi di perforazione. Tali analisi possono essere utilizzate come alternativa ai costosi test sul campo nei settori di ingegneria pertinenti. Lo sviluppo di una tecnica di modellazione numerica affidabile che riproduca la complessa iterazione dinamica dril-lbit/rock, è considerato una sfida importante nel campo del comportamento meccanico dinamico dei materiali geologici. Il lavoro qui presentato si propone quindi di presentare una tecnica di simulazione computerizzata innovativa del processo di penetrazione della roccia sulla base di un metodo ad elementi finiti (FEM) accoppiato a fluidodinamica particellare (SPH). Il comportamento meccanico di un materiale quasi fragile, rappresentativo di roccia calcare, la Pietra Serena, è stato studiato sia numericamente (metodo degli elementi finiti) che sperimentalmente. Il modello di materiale Karagozian and Concrete Homes (KCC) è utilizzato come legge costitutiva del materiale valutandone efficienza e accuratezza. La capacità di questo modello di materiale è stata infatti criticamente analizzata confrontando i risultati delle simulazioni numeriche e i corrispondenti risultati sperimentali. Numerose prove sperimentali sono state eseguite in questa ricerca, sulla roccia calcare prima menzionata, per l'identificazione dei parametri della legge costitutiva del materiale e per la validazione del metodo numerico. Il confronto dei risultati numerici con quelli sperimentali mostra come il metodo FEM accoppiato ad SPH, insieme con una corretta e completa calibrazione della legge costituiva KCC; rappresentino un metodo affidabile per lo studio della penetrazione su materiale roccioso in presenza di grandi deformazioni. L'approccio di modellazione così sviluppato è stato quindi applicato per stimare la forza richiesta sperimentalmente per penetrare una roccia rappresentativa (di quelle presenti in giacimenti O&G) sottoposta a pressione di confinamento. In questa frangente il penetratore utilizzato è una punta a forma conica. Infine, viene affrontato un problema di perforazione a percussione utilizzando una punta composta da tre impattattori. L’approccio di modellazione viene quindi utilizzato per l’analisi di diversi parametri di progettazione, che possono essere ulteriormente utilizzati nella ricerca e nello sviluppo delle industrie petrolifere.