WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

2. Фильтрационные характеристики насыщенных горных пород и закономерности их изменения в условиях сложного напряженного и неупругого деформирования следует определять с учетом структуры их порового пространства, физических свойств и соотношения жидкой и газовой фаз, а также величины и направления действия главных напряжений.

Получены новые экспериментальные закономерности изменения коллекторских свойств горных пород (объемной сжимаемости, пpоницаемости по газу и воде) от вида напpяженного состояния и давления фильтрации.

Для горных пород (крепких, средней прочности и слабых) наблюдается закономерное уменьшение объемной сжимаемости с ростом давления всестороннего сжатия на скелет породы, которое при отсутствии порового давления (Рп = 0) является аналогом эффективного напряжения. С ростом пористости коэффициент сжимаемости уменьшается при всех вида испытаний (рис.9). Наибольшие различия объемной сжимаемости однотипных пород с разной структурой порового пространства наблюдаются в области давлений в зависимости от вида испытаний.

Так, коэффициент сжимаемости для образцов известняка Тенгизского месторождения, определенный при нагружении одновременно всесторонним и поровым давлением (Р п = 0,8 3), на 30%-40% выше, чем при нагружении давлением всестороннего сжатии. С увеличением давления всестороннего сжатия и эффективного напряжения различия между величинами коэффициентов сжимаемости уменьшаются. Относительное уменьшение пористости насыщения с ростом давления всестороннего сжатия в большей мере сказывается для горных пород с минимальной пористостью.

Рис. 9. Зависимость коэффициента сжимаемости от эффективного давления эф и давления всестороннего сжатия 3.

Поровое давление, возникающее от давления всестороннего сжатия 3 на скелет горных пород, растет неоднозначно с ростом 3 и зависит от типа исследуемой породы. Для значений 3, при которых не происходит разрушение горных пород, а достигаются большие пластические деформации, т.е. огибающая паспорта прочности не зависит от величины 3, поровое давление составляет Рп = 0,81,0 3 (МПа) в зависимости от прочностных и структурных особенностей породы. Для крепких горных пород и пород средней прочности характерно Рп = 0,8 3, а для слабых пород Рп = 3. В случае испытаний в условиях сложного напряженного состояния, когда по достижению определенного уровня давления всестороннего сжатия 3, прикладывается дифференциальное напряжение 1, поровое давление возрастает и достигает максимального значения при 1, соответствующего пределу упругости. Далее с ростом 1, приближающегося к пределу прочности, происходит раскрытие трещин первоначально существовавших в породе и образование новых, что в свою очередь приводит к увеличению объема порового пространства, и, естественно, к снижению порового давления.

Исследования поведения слабых по прочности горных пород (типа алевролитов и глинизированных мелкозернистых песчаников) при всестороннем сжатии показали, что при отсутствии дренажа поровое давление насыщенного водой песчаника (прочность на одноосное сжатие 1 = 5 МПа) уравнивается с давлением всестороннего сжатия при величине последнего, равной 7,5 МПа. При недренированных испытаниях в условиях сложного напряженного состояния, мелкозернистые песчаники разрушаются под действием дифференциального напряжения менее 1 МПа, что свидетельствует о возможности флюдоизации его при коэффициентах концентрации горного давления на глубинах около 250 и более метров.

Проницаемость горных пород с ростом давления всестороннего сжатия и влаги уменьшается. Однако, отмеченная закономерность связана с типом пористости. Так, для пород с трещинным типом структуры порового пространства (пористость m <3%) отмечается сильная зависимость проницаемости по газу от давления всестороннего сжатия. С ростом давления всестороннего сжатия до 100 МПа коэффициент проницаемости уменьшается на три и более десятичных порядков по абсолютной величине. Для пород с трещиноватопористым типом структуры порового пространства (пористость 3< m <8%) характерна более слабая зависимость проницаемости от давления всестороннего сжатия - уменьшение коэффициента проницаемости на одиндва десятичных порядка по абсолютной величине. Для пород с поровым типом структуры порового пространства (пористость m > 8%) коэффициент проницаемости практически не зависит от давления всестороннего сжатия.

Установленная закономерность изменения коэффициента проницаемости от давления всестороннего сжатия связана с характером деформирования пород с различным типом порового пространства. С ростом давления всестороннего сжатия в первую очередь закрываются трещины, а деформация скелета происходит менее значительно, что и регистрируется по коэффициентам проницаемости (рис.10) и объемной сжимаемости (рис.9).

Понятие среднего нормального напряжения позволяет более наглядно представить характер зависимости коэффициента проницаемости от дифференциального напряжения 1 (рис.10).

Рис. 10. Типичная зависимость коэффициента проницаемости от величины среднего нормального напряжения (каменный уголь, ш. Центральная, Воркутское месторождение, G = 0,95): 1- при давлении всестороннего сжатия 3, 2- на пределе и за пределом прочности.

Общим для пород и углей при сжатии в условиях сложного напряженного состояния является то, что проницаемость на пределе и за пределом прочности при разных величинах давления всестороннего сжатия (линия 2, рис.10) увеличивается. В запредельной области проницаемость резко возрастает, достигая начального значения коэффициента проницаемости при 3, при котором проводились исследования. При низких давлениях всестороннего сжатия ) значения коэффициента проницаемости в запредельной области могут превышать начальное значение коэффициента проницаемости в 1,52 раза.

В то же время, для слабых пород (типа алевролитов, глинизированных песчаников) и бурых углей с ростом дифференциального напряжения проницаемость уменьшается, хотя при низких давлениях всестороннего сжатия проницаемость на пределе и за пределом прочности возрастает.

Таким образом, установлено, что:

объемная сжимаемость и проницаемость являются функцией структуры порового пространства и вида напряженного состояния;

проницаемость горных пород по газу зависит от форм и видов влаги в породе, вида напряженного состояния, типа порового пространства: с ростом давления всестороннего сжатия и влажности проницаемость уменьшается, в тоже время, с ростом дифференциальной нагрузки выше предела упругости при фиксированном значении давления всестороннего сжатия проницаемость увеличивается. Изменение проницаемости связано с характером деформирования пород и типом порового пространства.

Обобщенное уравнение зависимости коэффициента проницаемости от вида напряженного и фазово-физического состояния самой породы можно представить в виде:

К (3, 1, G) = К0 ехр[-(0 + k 3) G] + 1 а0 exp(-3), (11)

где первое слагаемое представляет собой зависимость коэффициента проницаемости от давления всестороннего сжатия, а второе приращение коэффициента проницаемости от действия дифференциального напряжения 1, которое определяется при заданном виде влаги; и а0 - параметры, характеризующие приращение коэффициента проницаемости К при изменении напряженного состояния (рис. 10).

Полученное обобщенное уравнение для определения коэффициента проницаемости по газу является физическим критерием выбросоопасности по фактору газопроницаемости, учитывающий совместное действие давления всестороннего сжатия, вида напряженного состояния и влажности.

3. Деформационные характеристики насыщенных горных пород при больших давлениях в условиях объемного сжатия необходимо определять с учетом вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм связи и вида влаги, толщины двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении их с водой.

Экспериментальные факты снижения прочности с ростом влажности и особенности влияния увлажнения на различные по своему составу породы объясняются тем, что адсорбция воды на поверхности частиц горных пород сопровождается образованием двойного электрического слоя, который определяет толщину слоя (количество) связанной воды (прочно и рыхлосвязанной) и зависит от комплекса обменных катионов, температуры, давления, концентрации электролитов в растворе. Максимальное количество прочно-связанной воды в породах соответствует величине максимальной гигроскопичности (Е.М. Сергеев 1971 г.) и по своим свойствам отличается от свободной воды: диэлектрическая проницаемость 22,2 ф/м; температура замерзания по Боуюносу. Рыхло-связанная вода представляет собой слои влаги, окружающие прочно-связанную воду, имеет меньший уровень энергетической связи и мало отличается от свободной воды: плотность близка к плотности свободной воды и .

Наведенное поле нарушает связанность зерен, создает условия для скольжения кристаллов относительно друг друга, искажает структуру вещества, изменяет основные параметры кристаллической решетки. Эффект снижения прочности зависит от диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости, которая определяет толщину двойного слоя и, следовательно, от количества связанной воды в породе. Максимальное снижение прочности соответствует полному развитию двойного слоя, т.е. влажности соответствующей максимально гигpоскопической.

Результаты исследований влияния диэлектрической проницаемости насыщающих жидкостей на прочность пород при сжатии, представленные в диссертации, подтверждают высказанные предположения о роли двойного электрического слоя при разрушении увлажненных горных пород (рис. 11).

Прочность пород на одноосное сжатие и отрыв снижается с ростом диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости. Высокая диэлектрическая постоянная жидкости (вода, формамид) означает, что жидкость имеет большой дипольный момент, что ведет к сильной адсорбции жидкости полярными частицами, сцепление между частицами в присутствии таких жидкостей ослабляется и, следовательно, напряжение разрушения снижается. Кривые 1 и 2 (рис. 11) качественно и количественно повторяют ход кривых зависимости прочности на одноосное сжатие известняка и кварцевого песчаника от влажности W (рис.2). Прочность пород с пористостью m < 8% в зависимости от диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости можно представить уравнением аналогичным (2), а для пород с пористостью m > 8%, т.е. с трещинно-поровой и поровой структурой порового пространства, уравнением аналогичным (3).

Рис. 11. Зависимость прочности от диэлектрической постоянной насыщающих жидкостей: сжатие 1- известняк; 2 - кварцевый песчаник; отрыв 3 - песчаник.

Экспериментальным подтверждением роли двойного электрического слоя в процессе адсорбционного снижения прочности горных пород при увлажнении является установленная независимость структурно-чувствительного коэффициента от скорости деформирования, а также сохранение временной зависимости прочности увлажненных пород от скорости деформирования.

Анализ деформационных характеристик пород в зависимости от уровней влажности, вида напряженного состояния, скорости деформирования позволяет сделать вывод, что в горных породах наблюдаются аномалии прочности и пластичности при изменении форм и вида влаги, вида напряженного состояния и скорости деформирования, что свидетельствует о закономерном периодическом изменении свойств пород при смене вида напряженного состояния и скорости деформирования. Дилатансионные эффекты (разрыхление) с ростом скорости деформирования и вида напряженного состояния подавляются.

Неоднозначное поведение пород при смене режима нагружения объясняется в первую очередь их структурными особенностями, а именно, пористостью.

Аномалии пластичности наблюдаются по мере локализации деформации, являющейся случайным статистическим процессом неравномерного формоизменения. При этом под хрупкостью понимается не столько способность породы разрушаться с минимальными затратами энергии, сколько деформироваться без больших оста-

точных деформаций. Два механизма разрушения сдвиг и отрыв конкурируют один с другим. При этом энергия активации дефектов, возникающих по плоскостям сдвига, под действием шаровой части тензора напряжений возрастает, а под действием девиаторной части уменьшается. Если превалирует девиаторная часть тензора напряжений, то происходит генерация дефектов и пластичность возрастает.

При энергетическом равноправии плоскостей сдвига наблюдается снижение пластичности или ее возрастание. При низких давлениях всестороннего сжатия превалирует механизм отрыва. С ростом давления всестороннего сжатия преобладает сдвиговая деформация и при достижения определенного уровня давления всестороннего сжатия возникает периодическая однородная деформация, проявляющаяся на макроуровне в виде пачек линий скольжения и возрастании угла наклона макроскопических плоскостей разрушения в зависимость угла ориентировки плоскости среза от вида напряженного состояния и скорости деформирования.

Сущность влияния условий нагружения (вида напряженного состояния и скорости деформирования) на прочностные и деформационные свойства пород с позиций статистической модели неоднородного деформированного твердого тела (А.Н. Ставрогин, 1970 г.) заключается в изменении числа вовлекаемых в процесс деформирования структурных элементов.

При адсорбции воды на поверхности горных пород при постоянной скорости деформирования с изменением вида напряженного состояния изменяются условия статистического отбора структурных элементов, вызванного разупрочнением на отдельных элементах вследствие эффекта адсорбционного понижения прочности. При этом с ростом влажности в процесс деформирования вовлекается большее число элементов с низким сопротивлением сдвигу, что приводит к снижению уровня напряжений во всех частях материала и росту угла ориентировки плоскости среза. С другой стороны, в силу кинетической природы пластической деформации, в процесс статистического отбора элементов с ростом скорости деформирования вовлекаются элементы с более высокими значениями модуля упругости, вызванного упрочнением на отдельном элементе. Это приводит к общему росту уровня напряжений в твердом теле и вовлечению большего, по сравнению с низкими скоростями, числа новых элементов, участвующих в процессе деформирования.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»