Свойства пород

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

Очень необычно просто измерить прочность породы при определении свойств породы. Обычно испытания включают определение поведения породы при напряжении и деформации, а также ее прочности. Затем это используется с результатами полевых испытаний для определения напряжения на месте и в численных моделях для определения того, как напряжения будут изменяться при выемке грунта или удалении жидкости.

Все осадочные породы демонстрируют изменчивость как модуля Юнга, так и коэффициента Пуассона при различных напряжениях. Некоторые из наших наиболее инновационных работ связаны с пониманием свойств скелета породы под нагрузкой. Sigra измеряет коэффициент Биота, который определяет, как давление жидкости влияет на эффективную нагрузку.

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.

 

Коэффициент Биота

Коэффициент Биота — это пороупругая константа, которая описывает, какая часть давления флюидов действует, чтобы противостоять общему напряжению. Было показано, что в почвах оно едино и часто делается предположение, что оно близко к единому в горных породах. Однако это может быть не так, даже в некоторых явно пористых породах.

Поскольку эффективное напряжение, а не общее напряжение, это то, что определяет деформацию горной массы и ее окончательное разрушение, необходимо измерить коэффициент Биота. Компания Sigra разработала методы измерения коэффициента Биота при изменении осевого и ограничивающего давления.

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 — Индекс Протодьяканова

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.

Большинство испытаний на ударную вязкость на горных породах проводится с использованием теста на индекс Протодьяканова. Это испытание с использованием ударного молотка на образцах, в которых определяется степень дробления после удара молотком. Это особенно полезно при определении склонности угля к выбросу. Он также используется для определения пригодности угля к добычи с помощью гидравлического промывки.

Для определения предрасположенности угольных пластов к выбросу ударное испытание Протодьяконова используется для измерения ударной вязкости образцов угольных пластов. Испытание дает результат в виде показателя теста Протодьяканова (f), который получается из индивидуального тестирования пяти образцов из каждого участка шва. Значения f ниже 0,5 считаются показателем того, что уголь может взорваться, если присутствуют другие факторы, способствующие выбросу. Эти другие факторы включают наличие газа под давлением и наличие достаточного напряжения, чтобы вызвать отказ.

Эти наблюдения необходимо рассматривать в сочетании со всеми другими соответствующими параметрами, включая содержание газа, давление газа, структуру угля — как в микро, так и в макро-смысле, а также напряжение внутри угля, прежде чем прийти к окончательному выводу о склонности данных угольных пластов к выбросу.

how can we help you?

Contact us via email, phone or submit an enquiry online.

subscribe & share