حرکت ایران در مرز علم ژئومکانیک، صنعت نفت هزینه بی توجهی به علوم بومی شده را می پردازد - وبلاگ پردیس وب

به گزارش وبلاگ پردیس وب، نخبگان دانشگاه امیرکبیر توانسته اند مدل سازی پیشرفته هایپر الاستیک متخلخل را برای اولین بار در جهان انجام دهند که قدمی بزرگ برای حل مسائل معادن و صنعت نفت است. سرپرست این پروژه تحقیقاتی می گوید: کشور هم چنان هزینه استفاده نکردن از این علوم را در بخش صنعت می پردازد.

گروه علم و پیشرفت وبلاگ پردیس وب؛ توسعه فناوری در گام اول به توسعه علمی احتیاج دارد؛ مادامیکه شاهد پیشرفت علوم در مراکز پژوهشی کشور نباشیم، رسیدن به توسعه فناوری و در پی آن توسعه مالی، دور از دسترس به نظر می رسد.

یکی از حوزه های که در سال های اخیر هم در زمینه علمی و هم در زمینه عملی، پیشرفت همه جانبه و قابل توجهی داشته، حوزه علوم زمین در کشور است. براساس مستندات دانشگاهی در حال حاضر مجموعه فعال در حوزه علوم زمین ایران با توسعه بسیار سریع در مرز این علوم حرکت می نماید.

در یکی از پیشرفته ترین تحقیقات نظری صورت گرفته در حوزه علوم زمین کشور، محققان دانشکده معدن دانشگاه صنعتی امیرکبیر توانسته اند با بهره گیری از مدل تغییر شکل اعضای بدن تحت تنش های متفاوت، رفتار سازندهای کم مقاومت در سازه های زیرزمینی نظیر، تونل ها، مراکز ذخیره سازی زباله اتمی، میادین نفتی و سایر موارد را مدلسازی نمایند.

به منظور آشنایی بیشتر با این پروژه با محمد عنایتی نجف آبادی، دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و سرپرست پروژه تحقیقاتی توسعه مدلسازی پوروهایپر الاستیک مصاحبه کردیم که در ادامه می خوانید.

در مرز علم ژئومکانیک گام بر می داریم

فارس: منظور از ژئومکانیک چیست و چرا حوزه مهمی است؟

به طور کلی ژئومکانیک و فراتر از آن علوم زمین به آنالیز رفتار مکانیکی زمین می پردازد. به معنای دیگر، این که شما چه نیرویی به زمین وارد می کنید و زمین چه واکنشی به شما نشان می دهد، به وسیله ژئومکانیک آنالیز می گردد. این شاخه علمی به طور مشترک بین حوزه های مهندسی معدن، مهندسی عمران و مهندسی نفت کاربرد دارد و اساسا می توان به آن به عنوان یک شاخه بین رشته ای نگریست. طبیعتا بسیاری از فعالیت های روزانه زندگی مردم اعم از حمل و نقل و راه، انرژی و سایر مسائل کلان به طور مستقیم و غیر مستقیم به زمین مرتبط می گردد.

در حوزه ژئومکانیک، هدف نهایی شناخت رفتار زمین است و زمانیکه شما از این رفتار سر در بیاورید، می توانید آن را در روبرو با تغییرات از جمله نصب سازه هایی نظیر تونل مشاهده کنید و پس از آن اقدامات گسترده ای را مد نظر قراردهید.

توانایی شناخت رفتار زمین برای تأمین احتیاجهای کلیدی حوزه انرژی، حمل ونقل، راه و سایر مسائل کلان، اساس علم ژئومکانیک است.

جهش علمی رخ داده در طول 40 ساله گذشته زمینه توسعه علم در بسیاری از حوزه ها را رقم زده است و حوزه علوم زمین و بخصوص مسئله مکانیک سنگ و خاک در کشور ما نیز از این موضوع مستثنی نیست.

خوشبختانه توسعه علم ژئومکانیک در 15 سال گذشته به علت توسعه زیرساختی کشور و بعلاوه احتیاج به ارتقای دانش از زمین شدت گرفته است. البته این فرایند توسعه ای در چندسال اخیر با کندی روبرو شده و تعداد پژوهش های مرز علم این حوزه بسیار کم شده است اما به طور کلی فاصله چندانی میان مرز علم جهان و پیشرفت های علمی کشور در این حوزه وجود ندارد.

فارس: پژوهشی که شما در دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام دادیم راجع به چه مسئله ای بود و چه جزئیاتی داشت؟

عنایتی نجف آبادی: همانطور که گفتم احتیاج پدر توسعه علم است. کار ما نیز از یک احتیاج آغاز شد. در یکی از معادن مرکزی کشور، در عمق نزدیک به 400 متری، یک تونل به عنوان تونل دسترسی به ماده معدنی حفر شده بود.

پس از حفر تونل، مهندسین با پدیده نشست زمین در کف تونل برخورد نموده بودند، بر همین مبنا ابتدا فکر نموده بودند این نشست یک پدیده عادی است و با سنگ باطله معدن آن را پوشانده بودند اما در ادامه این نشست به نزدیک نیم متر رسیده بود.

این مسئله واقعی سبب شده بود تا مدل های قدیمی دیگر جوابگوی رفتار زمین نباشند. همین احتیاج سبب شد تا ما با آگاهی از مسئله به شناخت دقیق آن بپردازیم. در گام ابتدایی پس از انجام اطلاعات اکتشافی متوجه شدیم، با یک شیل غرق در آب در زیر منطقه نشست نموده روبرو هستیم.

بر همین اساس با بهره گیری از مدلسازی که پیشتر برای تحلیل رفتار اعضای بدن مورد استفاده قرار می گرفت، اقدام به تحلیل رفتار این شیل کم مقاومت اشباع نمودیم.

فارس: کلیدواژه این پژوهش یعنی پوروهایپر الاستیک بسیار ثقیل است، ممکن است به طور ساده بفرمایید، پوروهایپر الاستیک چیست؟

عنایتی نجف آبادی: همانطور که گفتیم در حوزه ژئومکانیک، هدف نهایی شناخت رفتار زمین است. این شناخت رفتار در قالب مدلسازی ریاضی قابل انجام است و اساسا حرکت در مرز علم این حوزه به معنای توسعه مدل هایی است که بتواند به طور دقیق تر این رفتار را پیش بینی کند. پوروهایپر الاستیک نیز یکی از همین مدلسازی های ریاضی است که دست انسان را برای پیش بینی دقیق زمین آن هم در نقاط بسیار حیاتی مهیا نموده است.

اگر بخواهم خیل ساده مفهوم این مسئله را به شما نشان دهم، باید از شما بخواهم که آغاز به کشیدن لپ خود کنید. در ابتدا تحت نیرویی اندک که ما آن را به عنوان تنش می شناسیم، تغییر شکل قابل توجهی در لپ شما حس می گردد، حال با افزایش نیرو این تغییر شکل کمتر شده و شما مقاومتی از سوی لپ خود احساس می کنید، این رفتار شاکله رفتا هایپر الاستیک است، حال اگر ماده شما متخلخل باشد و بعلاوه رفتار هایپر الاستیک یعنی رفتاری با تغییر شکل زیاد از خود نشان دهد، شما باید از مدل پوروهایپرالاستیک به منظور آنالیز رفتار آن بهره ببرید.

مدلسازی پوروهایپر الاستیک به داد علوم زمین می رسد

فارس: دامنه استفاده از مدل تحلیل پوروهایپر الاستیک در کدام بخش ها روئیت شده است؟

عنایتی نجف آبادی: عمده ترین موادی که رفتار پوروهایپرالاستیک از خود نشان می دهند، عبارتند از: پلیمرها که خود شامل الاستومرها، لاستیکها، فوم ها، بافت بدن موجودات زنده و سازندها زمین با 2 ویژگی اشباع با مقاومت کم هستند.

فارس: ممکن است، پیرامون استفاده این مدل یعنی پوروهایپر الاستیک در علوم زمین شرح دهید؟

عنایتی نجف آبادی:برخلاف رفتار اغلب سازندهای سنگی و خاکی که مقاومت زیادی دارند و رفتار الاستیک یعنی رفتار خطی تحت تنش و کرنش را از خود نشان می دهند، در بعضی از سازندها شاهد رفتار پوروهاپیر الاستیک هستیم. منظور از رفتار الاستیک چیست؟ اگر یک جسمی تحت بار قرار گیرد، یک تغییر شکلی دارد، حال اگر ان بار را از روی جسم بر داریم، 2 حالت رخ می دهد، یا تغییر شکل صورت گرفته به صرف می رسد که در این حالت شاهد رفتار الاستکی هستیم، یا تغییر شکل پایدار رخ می دهد که معنای تغییر شکل غیرالاستیک است و یک نمونه از آن می گردد، تغییر شکل هایپرالاستیک.

به عنوان مثال در خاک های دانه ریز مثل رس ها که زیر سطح آب زیرزمینی که در اعماق زیاد و تحت تنش های زیاد واقع می گردد شاهد بروز رفتار پورو-هایپرالاستیک هستیم . به بیان علمی تر تغییرشکل های بزرگتر از درجه 1 خواهیم بود.

بعلاوه در اعماق زیاد و دماهای بالا، بعضی از سنگ ها نیز تحت تنش رفتار هاپرالاستیک را از خود نشان می دهند. کابرد تحلیل پوروهایپرالاستیک در ژئومکانیک، در تونل های با ارتفاع روباره زیاد، مخازن نفتی، پایداری چاه های نفتی، مخازن ذخیره سازی نفت و گاز زیر زمینی، معادن عمیق زیر زمینی و مخازن ذخیره سازی زباله های اتمی قابل استفاده خواهد بود.

احتیاج، پدر توسعه علم است

فارس: اگر درست متوجه شده باشم، شما از رفتار اعضای بدن الهام گرفته اید و مدل های پوروهایپر الاستیک را توسعه داده اید، سپس این مدل ها را برای تشریح رفتار زمین های کم مقاومت مورد استفاده قرار داده اید؟

عنایتی نجف آبادی: راستای که شما تشریح کردید، راستا کلی پژوهش ما بود البته با ذکر این نکته که مدل های پوروهایپر الاستیک تحت عنوان حالت خاصی از مسائل الاستیتسته به نام الاستیسیته گرین، پیشتر توسعه پیدا نموده بود و ما برای اولین بار در کشور توانستیم، از این مدلسازی برای تشریح رفتار زمین استفاده کنیم.

از مدل های موجود در بدن انسان الهامم گرفتیم و آن را به زمین انتقال دادیم.

اساسا باید به این نکته توجه کرد که توسعه علم همیشه برای پاسخ به احتیاج بشر رخ می دهد. بر همین مبنا، در حوزه علوم پزشکی به علت احتیاج به تحلیل رفتار اعضای بدن، مدل های پوروهاپیر الاستیک پیشرفت نموده بود. حال ما در فعالیتی بین رشته ای از این مدل ها استفاده کردیم و به یاری آن رفتار سازندهای مهمی از زمین را شناسایی نمودیم. در حقیقت از مدل های موجود در بدن انسان الهامم گرفتیم و آن را به زمین انتقال دادیم.

مدلسازی پوروهایپر الاستیک 2بعدی برای اولین بار در جهان به وسیله متخصصان ایرانی انجام شد

فارس: آیا این کار برای اولین بار در کشور انجام می شد؟

عنایتی نجف آبادی: توسعه مدل های تحلیل پوروهایپرالاستک برای آنالیز رفتار سازندهای زمین برای اولین مرتبه بود که در کشور انجام می شد، این مدلسازی به سبب پیچیدگی ریاضی فوق العاده ای که دارد کمتر مورد اقبال پژوهشگران قرار می گیرد اما احتیاج ما در این حوزه انگیزه ای شد تا این کار را به سرانجام برسانیم.

فارس: آیا تجربه این مسئله در کشورهای خارجی نیز یافت می گردد؟

عنایتی نجف آبادی: در آنالیز های که ما انجام دادیم متوجه شدیم یک گروه پژوهشی تحت راهنمایی پرفسور سالوادوری در دانشگاه مک گیل کانادا که یکی از سرآمدترین اساتید در این حوزه است، اقدام به این کار نموده اما توسعه تحلیل وی به آنالیز های یک بعدی ختم شده بود اما در کار ما که در کشور صورت گرفته علاوه بر مدل های یک بعدی، آنالیز مدل دو بعدی به منظور حل مسئله مورد استفاده نهاده شد. در حقیقت این ادعا که توسعه مدل های تحلیل پوروهایپرالاستک 2 بعدی برای آنالیز رفتار سازندهای زمین برای اولین بار در جهان در کشور ما صورت گرفته، ادعای به حقی است. این یعنی نیروی انسانی نخبه کشور ما توانست مرز علم ژئومکانیک در این بخش را یک پله فراتر برده و سهمی در این بخش ایفا نماید.

این مدلسازی پیشرفته اولین بار در جهان در کشور ما صورت گرفته است.

حل مسئله معادن با یاری مدلسازی نوین

فارس: در فرایند تحقیقات شما چه نتایجی بدست آمد و مدلسازی صورت گرفته به وسیله شما تا چه میزان بر واقعیت منطبق بود؟

عنایتی نجف آبادی: ابتدا باید این نکته را خدمت شما عرض کنیم که مدلسازی انجام گرفته در 10 هزار مرحله مورد تحلیل نهاده شد که هر مرحله موید یک ثانیه است. بر این اساس، میزان نشست یا تغییر شکل عمودی حدکثر ثبت شده در انتهای فرآیند تحلیل معادل 416.039 میلیمتر میزان گیری شده که نسبت به تغییر شکل های سایر اجزای سازند در نمونه مد نظر قابل توجه و تحت عنوان تغییرشکل بزرگ گزارش شده است.

لازم به تاکید است، میزان تغییرات تغییر شکل پس از ثانیه 8000 به طرز قابل توجهی با کاهش روبرو شده است و میزان تغیرات تغیر شکل از ثانیه 8000 لغایت ثانیه 10000 یعنی در 2000 ثانیه سرانجامی تحلیل تنها معادل 0.00002 میلیمتر به ثبت رسیده است.

این در حالی است که فرآنید تغییر شکل از ثانیه صفر تحلیل لغایت ثانیه 8000 هزار تحلیل با 416.039 به پیش رفته بود و تغییر شکل نسبت بزرگی را به ثبت رسانده بود.

این نکته را هم باید اشاره کنم که تغییر شکل عمودی حداکثر ثبت شده به وسیله مدل های الاستکی قدیمی، تغییر شکل 12 سانتی متر را پیش بینی نموده بود در حالیکه تغییر شکل واقعی قرائت شده به وسیله تیم نقشه برداری معدن 50 سانتی متر گزارش شده بود. با وجود اینکه تقسیم تغییر شکل مدل به تغییر شکل واقعی از لحا علمی معنای قابل توجهی ندارد اما شاخصی است که می تواند صحت مدلسازی را تایید کند، بر این اساس، این مدل از صحت نزدیک به 90 درصد برخوردار است در حالیکه صحت مدل قدیمی کمتر از 25 درصد گزارش شده بود.

فارس: آیا این پژوهش در نهایت منجر به حل مسئله و برطرف یکی از مسائل کشور شده است؟

عنایتی نجف آبادی: سوال بسیار خوبی مطرح کردید، زیرا بسیاری از پژوهش های علمی کشور ما در همان مرحله پژوهش متوقف شده و منتهی به حل مسئله نمی شوند. بر همین اساس با توجه به اینکه پژوهش ما مسئله محور حرکت نموده در گام ابتدایی منتهی به توجیهی اتفاقی شد که پیش از آن علتی برای تفسیر آن یافت نمی شد. در گام بعدی با توجه به توزیع تنش ثبت شده در مدل راهکارهای حل مسئله در قالب سازوکار نگهداری تونل مطرح شد که در نهایت زمینه حل مسئله نشست در عمق نزدیک به 400 متری یکی از معادن مرکزی کشور را فراهم کرد.

این کار مطالعاتی باعث حل مشکل نشست زمین در عمق نزدیک به 400 متری یکی از معادن مرکزی کشور را فراهم کرد.

صنعت نفت هزینه استفاده نکردن از علوم بومی سازی شده را می پردازد

فارس: در صحبت هایتان به مسئله پیچیدگی کار اشاره کردید، ممکن است این پیچیدگی ها را تشریح کنید؟

عنایتی نجف آبادی: یکی از مهمترین پیچیدگی های مدل سازی پوروهایپر الاستیک توسعه ریاضی پشت قضیه است که احتیاجمند آگاهی قابل توجهی است. اگر بخواهم ساده بگویم، هر مدل فیزیکی یک تجلی ریاضی تعریف شده دارد که در قالب معادلات ظهور پیدا می نماید. حل این دستگاه معادلات تشکیل شده برای مدل سازی پوروهایپرالاستیک یکی از پیچیدگی های خاص قضیه بود اما در نهایت با توجه به انگیزه حل مسئله توانستیم بر این بخش فائق بیاییم.

فارس: در سرانجام مصاحبه به نظر شما حرکت در مرز علم ژئومکانیک چگونه می تواند زمینه ارتقای زیرساختی و مالی کشور را مهیا کند؟

عنایتی نجف آبادی: ببینید در حال حاضرزیربنای پیچیده ترین تحلیل هایذ ژئومکانیکی در کشور وجود دارد و خوشبختانه نیروی انسانی نخبه ای در این حوزه تربیت شده است. با این وجود همچنان شاهد آن هستیم که در حوزه اجرایی، بی این علوم بی مهری می گردد. برای مثال در صنعت نفت، نقش علوم ژئومکانیک غیرقابل کتمان است و توسعه ژئومکانیکی می تواند در بسیاری از موارد از جمله ازدیاد برداشت، حفاری، مکان یابی چاه، آنالیز یکپارچگی و سایر موارد کاربرد داشته باشد. با این وجود همچنان زمینه به کار گیری این علوم در صنعت کشور به خصوص صنعت نفت مهیا شده و با وجود اینکه علم ژئومکانیک در کشور مهیا است اما ما همچنان هزینه استفاده نکردن از این علوم را در بخش صنعت می پردازیم.

در شرایطی که زمینه استفاده از نخبگان این حوزه در صنایع انرژی، هسته ای، معادن و سازه های زیرزمینی مهیا گردد، به طور قطع بسیاری از هزینه هایی که امروز متقبل می شویم حذف خواهد شد.