книги / Экспериментальная физика и механика горных пород
..pdfно отражает условия, возникающие на стенке скважины, когда мы давлением бурового раствора пытаемся изменить напряженное со стояние в околоскважинном пространстве и упрочнить породу. В тех случаях, когда порода, окружающая скважину, непроницае ма для раствора, буровой раствор с максимальной эффективно стью выполняет возложенную на него функцию по поддержанию устойчивости скважины. Напряжения с г на стенке скважины в этом случае равняются давлению столба бурового раствора на дан ной глубине, а характер распределения напряжений в околосква жинном пространстве соответствует изображенному на рис. 4.26. Когда же порода является проницаемой для бурового раствора, то давление, создаваемое им, передается в поры породы на какую-то величину зоны А и предполагаемый обжимающий эффект, приво дящий породу на контуре скважины в объемное напряженное со стояние и вызывающий ее упрочнение, будет ослаблен или вовсе отсутствовать. При полной проницаемости на контуре характер распределения напряжений в околоскважинном пространстве бу дет выглядеть так, как изображено на рис. 4.30 сплошными линия ми. На стенке скважины напряжения о г будут равны 0, и лишь на границе зоны проникновения (на расстоянии А от контура) они до стигнут значений, равных давлению бурового раствора на данной глубине. На уровень тангенциальных напряжений с е проницае мость пород также оказывает влияние. В данном случае рассчиты-
Рис. 4.30. Характер распределения напряжений по горизонтали от оси скважи ны для проницаемой породы (сплошные линии); А — величина зоны проникно вения давления раствора и непроницаемой породы (пунктирные линии).
291
ваемое по формуле (4.5) значение напряжения а е будет иметь мес то не на контуре скважины, а на границе зоны проникновения рас твора. На контуре же скважины значение а в будет соответствовать условию, при котором Рс = 0 (см. формулу (4.5)). Для сравнения на этом же рисунке пунктиром изображены диаграммы напряжений, соответствующие случаю при полном отсутствии проницаемости.
Сделанные выводы подтверждены Гидроизоляционная рубашка прямыми экспериментальными ис
следованиями устойчивости стенок скважин, пробуренных в образцах горных пород.
Схема испытаний изображена на
и';***’*
рис. 4.31. Образец горной породы с центральным отверстием, щдроизолированный по наружной поверхно сти, подвергался гидростатическому
Рис. 4.31. Схема испытания образцов со скважиной.
обжатию в камере высокого давления. Соотношение между на ружным и внутренним диаметрами образца Djd в опытах задава лось равным от 6 до 12, что соответствует участку практической независимости критического (приводящего к разрушению стенок скважины) давления Рн от величины соотношения D/d. Расчет за висимости выполнен по формуле Ляме [12].
Целью экспериментов являлось определение уровня обжимаю щего наружного давления Ря = Р^, при котором произойдет раз рушение стенки скважины. Испытания проводились в двух режи мах: при отсутствии давления Рс бурового раствора (или другого флюида) в скважине и при его наличии. В случае проницаемости пород для флюида значение Р*р практически не зависело от давле ния Рс. Например, для проницаемого амфиболита (графики х— £, для него, полученные при различных режимах испытания, показа ны на рис. 4.25, в) уровень критического давления Р*р оставался неизменным при вариации давления Рс от 0.1 до 140 МПа. На мра море, ще в качестве флюида использовали глицерин, Pf> возраста ло с ростом Рс. Наглядно зависимость устойчивости стенок сква жины от величины А проникновения флюида в околоскважинное пространство можно проиллюстрировать рис. 4.32. В данном случае опыты проводились на известняке, а в качестве флюида использовали техническое масло. На снимке видно, что разруше ние стенки скважины в первую очередь происходит в той части ствола скважины, ще зона проникновения флюида больше.
292
Рис. 4.32. Иллюстрация зависимости устойчивости стенки скважины от вели чины проникновения бурового раствора в околоскважинное пространство.
Следует еще отметить, что относительная устойчивость скважи ны является функцией масштабного фактора: чем больше отноше ние Д//?с, тем меньше относительная устойчивость скважины. При фиксированном значении А относительная устойчивость будет расти с увеличением Rc.
4.4.2. Экспериментальные исследования деформационных процессов в горных породах
в условиях декомпрессии
Поскольку в предыдущем разделе был затронут вопрос об обжи мающем воздействии горного давления и давления флюида на вы буриваемый из земных недр керн, который затем доставляется на поверхность для всесторонних исследований, на наш взгляд, до вольно уместно здесь рассмотреть вопрос о влиянии процессов де компрессии (снятия всякого рода обжимающих напряжений) на свойства породы. Изменения свойств породы при декомпрессии могут быть весьма значительными, особенно если процессу деком прессии предшествовали необратимые деформации породы. Под нятый с больших глубин керн или извлеченный из камеры высо кого давления образец, который подвергался там воздействию вы соких напряжений и деформаций, могут иметь существенные различия в структуре и свойствах материала по отношению к ис
293
ходному состоянию, где они находились в условиях всестороннего сжатия. Для того чтобы представлять себе реальные масштабы это го различия, необходимо было провести прямые эксперименталь ные исследования влияния процессов декомпрессии на свойства горных пород.
В то же время деформационные процессы, происходящие в гор ных породах в условиях декомпрессии, предваряют деформацион ные процессы последействия, которые протекают в уже полностью разгруженном материале породы. Подробно явление последейст вия обсуждалось в главе 2. Принципиальное отличие механизмов реализации рассматриваемых процессов состоит в том, что в пер вом случае двигателем процессов деформации являются силы упругого восстановления, реализующиеся одновременно со сняти ем внешних напряжений, а во втором случае — силы остаточных упругих напряжений, которые сохраняются в материале после пол ной его разгрузки.
Результаты воздействия гидростатического обжатия, не вызыва ющего необратимых деформаций породы, и последующего снятия этого давления достаточно подробно исследованы. Поэтому здесь рассмотрим лишь процессы декомпрессии для случаев, когда по рода испытала необратимую деформацию в условиях всесторонне го неравнокомпонентного сжатия. В условиях больших глубин тектонические процессы могут приводить к развитию огромных относительных деформаций в горных породах. В лабораторных условиях традиционно исследуется область продольных деформа ций, не превышающая 15 %. Такие ограничения накладывает ме тодика эксперимента. Дело в том, что при больших продольных деформациях поперечные размеры образца развиваются очень не однородно, придавая ему бочкообразную форму. Измеряемые при этом различные параметры ввиду неоднородности деформации сильно искажаются и не отражают существо происходящих в мате риале процессов. Однако исследование больших пластических деформаций с научной точки зрения представляет большой инте рес. Представленные далее результаты исследований являются уникальными в своем роде, поскольку в этих экспериментах впер вые была предпринята попытка создания в образцах породы боль ших необратимых деформаций, превышающих 100 %, с надежной регистрацией деформационных и прочностных характеристик ис пытываемого материала [87].
Разработанный в лаборатории метод изучения больших необ ратимых деформаций состоит в многократном испытании в оди наковых условиях объемного сжатия одного и того же образца. После первого акта испытания с развитием в образце 15— 20 % продольной деформации опыт останавливается, осуществляется сначала осевая разгрузка образца, а затем разгрузка от действия
294
обжимающего гидростатического давления (т. е. производится полная декомпрессия образца). Далее образец извлекается из ка меры, протачивается по диаметру на токарном станке до перво начального размера, после чего вновь гидроизолируется, помеща ется в испытательную камеру, где подвергается сначала обжатию гидростатическим давлением прежнего уровня, а затем осевой де формации до 15— 20 %. Такие процедуры повторяются несколь ко раз. Нужно отметить, что при подобных испытаниях прихо дится использовать образцы большей длины, чем в обычных опытах. При сильном укорочении образца в результате много кратных актов деформации диаметр образца приходится делать меньше первоначального, чтобы отношение длины образца к его диаметру не было меньше 1.5. Последовательное повторение описанных операций позволяет достичь в материале сравнитель но больших деформаций.
Рис. 4.33. Диаграммы т— е,— ег, полученные при многократном повторном деформировании образцов мрамора: восьмикратном при с 2 = 100 МПа, семи кратном при ст2 = 200 МПа, пятикратном при а 2 = 75 МПа.
На рис. 4.33 показаны диаграммы х— — е 2, полученные в ре зультате многократного испытания образцов мрамора при боко вых давлениях с 2 = 75, 100 и 200 МПа. На графике а 2 = 100 МПа пунктирами изображены диаграммы т— е ,— е 2 для каждого акта испытаний. Общая же диаграмма представляет собой огибающую кривую последовательно расположенных частных диаграмм. Об щая диаграмма при с 2 = 100 МПа получена в результате восьми кратного испытания образца. Диаграммы при а 2 = 75 и 200 МПа получены соответственно при 5- и 7-кратном испытании образца. Общие деформации, достигнутые в экспериментах, превышают 100 %. Нужно отметить, что графики построены в так называемых истинных единицах, которые применяются при исчислении боль
295
ших пластических деформаций. Истинные относительные дефор мации определяются отнесением величины текущей деформации к изменяющейся, текущей (а не к первоначальной, как это делает ся обычно) величине размера образца. Между обычными и истин ными значениями относительных деформаций существует следую щая связь [26, 42]:
efCT = 1п(1 + £j), e f 1 =1п(1 + е 2).
Помимо результатов, связанных со структурными изменениями в материале при развитии таких больших деформаций, а также с процессами компрессии и декомпрессии (что будет рассмотрено подробно дальше), данные опыты интересны еще и тем, что в них показано, что предельные значения прочности в породах при вы соких уровнях а 2 достигаются при развитии больших деформа ций, которые при однократном традиционном акте испытания об разца принципиально недостижимы. Так, например, предельное значение прочности мрамора при о 2 = 200 МПа достигается при продольной деформации образца, равной 75 %. Интересно отме тить также, что модуль упругой деформации Е, полученный при первом нагружении исходного образца, практически сохраняется неизменным при последующих актах нагружения, осуществляемых уже на предварительно деформированных образцах. Например, ве личина Е = 1.12 • 10~5 МПа, определенная при первом нагружении образца в условиях а 2 = 100 МПа, отличается от величины Е, определенной при восьмикратном нагружении, всего на 1 %, причем в меньшую сторону. Это кажется странным, поскольку свойства образца, предварительно деформированного при высо ких боковых давлениях, в условиях атмосферы сильно отлича ются от свойств исходного образца. Для примера на рис. 1.38 (глава 1) показаны диаграммы х— е р полученные при одноосном сжатии исходного (7) и предварительно деформированного при а 2 = 100 МПа образца мрамора (2). Как видно, в этих условиях механические характеристики данных образцов несопоставимы.
Теперь рассмотрим, что же происходит с сильно ослабленным деформацией материалом породы при воздействии на него обжима ющего гидростатического давления, которое вызывает столь суще ственные изменения его механических характеристик. Прежде оста новимся на методике исследований. Воздействие гидростатическо го давления и последующее осевое нагружение образца, так же как и процесс декомпрессии, приводят к изменению его размеров и объе ма трещинно-порового пространства. Для получения наиболее пол ной информации о деформационных процессах, происходящих при этом в образце, в экспериментах использовались различные методи ки регистрации этих процессов. В частности, объемные изменения в образце определялись следующими тремя способами:
296
1) расчетом на основании результатов измерения продольной и поперечной деформаций образца по формуле (Q = е, + 2 е 2);
2)прямыми замерами объема открытого трещинно-норового пространства в образце с помощью U-образного прибора (мано метра), действующего на принципе поддержания постоянного пе рового давления газа в образце, равного 1 атм (см. рис. 4.4 и описа ние в разделе 4.2);
3)методом гидростатического взвешивания образца до и после испытаний.
Определенные выводы о структурных изменениях в образце можно также сделать по результатам использования традицион ных геофизических методов исследования, основанных на регист рации скорости распространения ультразвуковой волны или элек трического сопротивления.
Из перечисленных методов метод гидростатического взвешива ния позволяет с довольно высокой точностью (до 1— 2 %) опреде лять лишь начальный и конечный объемы образца. Причем, конеч
ный объем определяется в условиях атмосферы, т. е. после того
G -КТ3 а
Рис. 4.34. Кривые, отражающие объемные изменения образцов мрамора (№11, 1 3 ,1 4 ,1S) при осевой деформации в условиях разного уровня бокового давле ния: (т2 = 2S МПа (а), ст2 = 50 МПа (б) и последующей декомпрессии.
297
как образец был освобожден от действовавших на него сжимаю щих напряжений. Разница между объемами образца до и после ис пытаний в этом случае отражает совокупное изменение объема, которое он получил в результате необратимого деформирования под действием осевой нагрузки, а затем в результате декомпрессии. Как показал опыт, всю картину изменения объема материала и при деформации в камере высокого давления, и при декомпрессии с наибольшей достоверностью можно зарегистрировать с помощью U-образного манометра. На рис. 4.34 показаны результаты изме рения объемных деформаций в образцах мрамора при о 2= 25 МПа
(а) и а 2 = 50 МПа (б) U-образным манометром (кривые 2) и гид ростатическим взвешиванием (точки 3). На кривых 2, отражаю щих весь процесс деформации во время опыта, точка А соответст вует концу деформационного процесса, вызванного осевым нагру жением образца. Точка В соответствует состоянию после сброса дифференциальной осевой нагрузки с образца. Точка С характе ризует объем образца после снятия гидростатического давления, т . е. при полной декомпрессии. Как видно из графиков, величины полной объемной деформации образцов, замеренные двумя разны ми методами, практически совпали.
Что касается влияния декомпрессии на состояние породы, ис пытавшей предварительную необратимую деформацию, то, как показывают результаты опытов, объемные изменения в материале, вызванные прямым необратимым деформированием и последую щей декомпрессией, сопоставимы по величине. Для условий опы тов, изображенных на рис. 4.34, величина объемной деформации, вызванной декомпрессией, даже превосходит объемную деформа цию, полученную образцом в камере высокого давления при осе вом нагружении. Для случая о 2 = 25 МПа это превосходство со ставляет 1.4 раза, для случая о 2 = 50 МПа — 1.25 раза.
Теперь рассмотрим, как величина предварительной необрати мой деформации сказывается на деформации, вызванной декомп рессией. Опыты проводились по методике, описанной выше. Один и тот же образец мрамора подвергался многократному последова тельному деформированию после восстановления его диаметра между опытами. Кривые, изображенные на рис. 4.35, а, отражают процесс развития продольной e f и поперечной е 2 деформации об разца при сбросе гидростатического давления а 2 (при декомпрес сии) после каждого очередного акта нагружения и необратимого деформирования. Цифрами у кривых указан порядковый номер акта нагружения, предшествующего разгрузке. Необратимая про дольная деформация в каждом опыте составляла 8— 10 %. Уровень бокового давления равнялся 200 МПа. На рис. 4.35, б построены графики изменения объема Qd образца, вызванного декомпрессией после каждого акта нагружения. Полученные зависимости показы
298
о2, МПа |
а |
а2, МПа |
б |
200 |
|
200 |
|
Рис. 4.3S. Зависимости продольной ef, поперечной е2, а также объемной Qd де формаций образца при снятии гидростатического давления (при декомпрес сии) после разного уровня предварительной необратимой осевой деформации образца в условиях о 2 = 200 МПа.
вают, что после каждого очередного акта нагружения и необрати мого деформирования деформации, вызванные декомпрессией, также возрастают. На рис. 4.36 показаны зависимости необратимо го изменения объема образца ДQ от величины необратимой осе вой деформации Д е,, замеренного в условиях камеры высокого давления при с 2 = 200 МПа (а) и в условиях атмосферного давле ния после декомпрессии (б). Кривые построены по результатам шестикратного повторного испытания одного и того же образца. Цифры возле экспериментальных точек, так же как и на предыду щем рисунке, обозначают порядковые номера опытов. Обе зависи мости изображаются прямыми линиями. Разница по ординате между двумя кривыми равна величине объемной деформации, вы званной процессом декомпрессии. Эта величина пропорциональ-
|
|
|
80 |
Рис. 4.36. Зависимости необрати |
|
||
мого изменения объема образца AQ |
40 |
||
от величины |
необратимой осевой |
|
|
деформации |
Де,, |
замеренного в |
|
условиях камеры |
высокого давле |
|
|
ния при с 2 = 200 МПа (а) и в усло |
|
||
виях атмосферного давления после |
Q |
||
декомпрессии (Ь). |
|
299
а |
б |
а 2, МПа |
а 2, МПа |
Рис. 4.37. Зависимости продольной £ ', поперечной е ', а также объемной Q* деформации образца при увеличении гидростатического давления до ст2 = = 200 МПа (при компрессии) после каждой очередной проточки образца по диаметру.
на величине предварительной необратимой деформации. Для дан ных условий опыта значения обоих видов деформации близки между собой.
На рис. 4.37 показаны зависимости продольной e f , поперечной е 2, а также объемной ^'деформации образца от уровня обжимаю щего гидростатического давления о 2 (т. е. в условиях компрес сии). Кривая, обозначенная цифрой 0, получена при обжатии ис ходного, недеформированного образца, кривая 1 получена при об жатии образца после первого акта испытания и последующей проточки по диаметру, кривая 2 — после второго акта и проточки и т. д. Обращают на себя несколько большие величины деформа ций, чем в условиях декомпрессии. Это различие вызвано тем, что при проточке диаметра происходит механическое нарушение по верхностного слоя образца, который в условиях обжатия гидроста тическим давлением имеет повышенную податливость. В целом же кривые на рис. 4.3S и 4.37 отражают схожие закономерности изме нения деформационных процессов при изменении давления. Наи большее уплотнение образца происходит при низких обжимаю щих давлениях, с повышением давления податливость образца рез ко снижается.
На рис. 4.38 приведены результаты опыта, в котором образец подвергался циклическому нагружению и разгрузке. Каждый цикл включал в себя сначала обжатие образца гидростатическим давле нием от 0 до а 2 = 150 МПа, затем осевое нагружение и деформа цию до определенного уровня, после чего осуществлялась полная разгрузка в обратной последовательности. Эти циклы компрессии и декомпрессии отличаются от рассмотренных выше тем, что здесь
зоо