книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

но 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

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-

299

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