Свойства пород

«Sigra» применяет несколько методик лабораторных исследований для определения свойств пород. Их выбор зависит от требуемой информации.

Прочность на одноосное сжатие

В наипростейшем виде процесс предусматривает нагружение образца до разрушения и регистрацию линейного напряженного состояния в момент разрушения.

Одноосное испытание

Испытание включает количественное определение деформационно-прочностных свойств керна, подвергаемого одноосному сжатию. «Sigra» проводит такие испытания с помощью универсальной испытательной установки, которая нагружает образцы по оси.

 

Рис. 1. Образец, нагружаемый по одной оси, снабженный тензометрическими датчиками в конце испытания на разрушение.

Одноосный модуль упругости и коэффициент Пуассона

При испытании на образце размещают два тензодатчика для осевых измерений и два тензодатчика для измерений по окружности и регистрируют деформацию в зависимости от нагрузки. Испытание может проводиться с увеличением нагрузки до разрушения, но чаще «Sigra» применяет циклическое нагружение, за счет чего становится возможным определение характеристик образца при разгружении. Характеристики разгружения породы особенно важны, поскольку многие изменения напряжения обусловлены тем, что разработка месторождений осуществляется в режиме разгружения. Модуль разгружения тоже важен, поскольку разгружение происходит во время многократного измерения напряжения на месте по кернам колонкового бурения, который «Sigra» использует в своем процессе IST.

Рис. 2. Графики зависимости деформации от напряжения для песчаника, изображенного на рис. 1.

Рис. 3. Зависимость модуля упругости от одноосного напряжения для песчаника, изображенного на рис. 1.

Рис. 4. Кривые коэффициента Пуассона для песчаника, изображенного на рис. 1.

Всесторонний модуль упругости и коэффициент Пуассона

Поскольку некоторые породы демонстрируют существенную анизотропию в показателях модуля упругости и коэффициента Пуассона, важно знать, каковы эти значения. Для этого «Sigra» разработала трехосные тензометрические элементы, в которых образец керна с размещенными на нем тензометрическими датчиками можно нагружать в осевом и радиальном направлении. Керн последовательно нагружают с увеличением осевой, а затем радиальной нагрузки, после чего осуществляется пошаговое снижение нагрузки. Это позволяет определять модуль в осевом направлении и в плоскости, перпендикулярной керну. Данную систему можно также использовать с образцами многократно отобранного керна колонкового бурения, использовавшимися в системе измерения напряжения (IST) компании «Sigra». В этом случае давление, создающее радиальную нагрузку, воздействует также на внутреннюю часть направляющего ствола скважины, создавая равномерное радиальное напряжение, а не напряжение, на которое влияет концентрация напряжений, генерируемых стволом скважины.

Гидростатическое испытание осколков на определение модуля упругости

Поскольку некоторые породы извлекаются на поверхность только в осколочном состоянии и не могут быть исследованы как целый керн, «Sigra» разработала систему для измерения деформации породы под действием гидростатической нагрузки. Этот метод оказался особенно полезным при исследовании угля, который в процессе отбора проб ломается. Процесс включает размещение тензометрических датчиков с несколькими розетками на осколке породы, заливку его мягкой смолой, а затем гидростатическое нагружение с одновременной регистрацией изменений деформации. Поскольку данный метод исследования не создает девиаторного нагружения, сделать вывод о коэффициенте Пуассона невозможно. Однако оценивая коэффициент Пуассона у аналогичного материала, можно вычислить модуль упругости образца. Главные значения модулей можно определить по анизотропным образцам.

Рис. 5. Пример модуля упругости, полученного в результате гидростатического испытания нескольких угольных образцов из одного и того же пласта.

Испытание на растяжение

«Sigra» предлагает бразильский метод непрямого испытания на разрыв (рис. 6) для определения напряжения растяжения породы путем нагружения керна поперек его диаметра. Это исследование можно улучшить путем размещения на концах образца тензометрических датчиков, так чтобы при возникновении разрушения можно было определять общее состояние деформации и расчетное состояние напряжения.

Рис. 6. Бразильский метод испытания на растяжение

«Sigra» может также проводить прямые испытания на растяжение, при которых к образцу приклеивают концевые элементы и постепенно увеличивают нагрузку до разрыва.

Испытание вязкости

Вязкость – это количество энергии, требуемое для разлома образца. «Sigra» может исследовать образцы керна на ударную вязкость по Изоду с помощью молотковой дробилки. Для этого керн заливают смолой, чтобы закрепить его на месте, после чего молоток раскачивают, как маятник, по дуге, ударяя о бок керна и вызывая напряжение растяжения и сдвига на поверхности разрушения.