Crack extension caused by internal gas pressure compared with extension caused by tensile stress

Abstract

Explosive loading in borehole configurations has been investigated to assess the relative importance of internal gas pressurization and stress-wave-induced circumferential tensions for extending radial cracks originating at the borehole walls. Simple calculations of an extending crack (with and without confining pressure) were performed to estimate an upper bound on crack length resulting solely from internal pressurization for comparison with the crack length resulting solely from tensile stresses. These calculations indicated that a internal gas pressure could increase the crack length by a factor of 10 to 100 (no confining pressure) or 3 to 25 [6.9-MPa (1000-psi) confining pressure] compared with the tensile stresses acting alone. Simple laboratory experiments were performed using 3.2 × 10⁻³m diameter (1/8in.) by 1.52 × 10⁻¹m long (6 in.) borehole charges centered in a 1.3 × 10⁻²m diameter (1/2in.) borehole in transparent Plexiglas cylinders 3 × 10⁻¹m in diameter by 3 × 10⁻¹m long (12in. by 12in.) to verify these computational results. Two tests were performed: one with a thin (5.08 × 10⁻⁴m) steel liner to contain the explosive gases and one without a liner so that the explosive gases could enter and pressurize the fractures. A confining pressure of 6.9 MPa (1000 psi) was applied to the Plexiglas cylinders in both experiments to better simulate field conditions and to contain the cracks within the cylinder; all other experimental conditions were identical. These experiments indicated that the primary effect of the explosive gases was to increase crack length by a factor of five to ten compared with the tensile stresses acting alone, in approximate agreement with the predictions.

Résumé

Une mise en charge explosive dans des configurations d'alésages a été étudiée en vue d'établir l'importance relative de la pression interne de gaz et des tensions circonférentielles induites par l'onde des contraintes pour des fissures radiales en cours d'extension prenant leur origine sur les parois de l'alésage. Des calculs simples d'une fissure en cours d'extension avec ou sans pression de confinement on été effectués en vue d'estimer une frontière supérieure de longueur de fissure qui résulterait seulement de la pression interne, à comparer avec la longueur de fissure qui résulterait seulement des contraintes de traction. Ces calculs ont indiqué que la pression interne de gaz pouvait accroitre la longueur d'une fissure d'un facteur 10 à 100 (sans pression de confinement) ou de 3 à 25 (dans le cas d'une pression de confinement de 6,5 MPa (1000-psi)), lorsqu'on se rapporte à l'action simple des contraintes de traction. Des essais simples de laboratoire ont été effectués en utilisant des charges cylindriques de 3,2 mm 0 sur 152 mm de long disposées dans un alésage de 13 mm 0 foré dans des cylindres de plexiglas transparent de 30 mm 0 sur 30 mm de long, en vue de vérifier les résultats du calcul. Deux essais ont été effectués: l'un recourant à un mince chambrage en acier (1/2 mm) en vue de contenir les gaz de l'explosion et l'autre sans chambrage, de sorte que les gaz de l'explosion pouvaient pénétrer et pressuriser les fissures. Une pression de confinement de 6,9 MPa (1000-psi) a été appliquée aux cylindres de plexiglas dans les deux types d'essai en vue de simuler au mieux les conditions réelles et de contenir les fissures dans le cylindre; toutes les autres conditions d'essai étaient identiques. Ces essais ont indiqué que l'effet principal des gaz résultant de l'explosion était d'accroitre la fissure d'un facteur de 5 à 10, par rapport au cas où les contraintes de traction agissent seules. Ceci est en accord approximatif avec les prédictions.