Реология горных пород С помощью какого механического воздействия

Реология горных пород С помощью какого механического воздействия можно распознать природу тел (отличить одно тело от другого)?

Виды деформаций Упругая Пластическая Вязкая

Упругость • Способность тела восстанавливать свою форму и объем (у твердых тел) или • только объем (жидкость, газы) после прекращения действия сил. • Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки.

Пластичность • Пластичность - свойство горной породы необратимо изменять свою форму под действием сдвигового напряжения без разрушения. Пластичность возникает тогда, когда максимальное касательное напряжение достигает предельного значения, называемого пределом текучести τТ. • Уравнение состояния можно записать так:

Механизмы пластической деформации • Пластическая деформация обеспечивается: • - межзерновым скольжением; • - трансляцией; • - перекристаллизацией. Межзерновое скольжение - смещение отдельных зерен породы относительно друга. Трансляция – скольжение одного слоя кристаллической решетки минерала относительно другого. Перекристаллизация - искажение и изменение кристаллической решетки.

Вязкость • Свойство тела оказывать сопротивление перемещению молекул относительно друга.

Идеальные реологические тела - носители идеальных деформаций Механические модели Гук Сен. Венан Реологические уравнения ti = G · gi, gi = 0 при ti < tт, sср = K·eср Реологичеcкие диаграммы Ньютон gi ® ¥ при ti ³ tт, ev = 0 sср = K·eср τi τт А β 0 γiр γi

Аксиомы реологии • Первая аксиома: под действием равномерного всестороннего давления все материалы ведут себя одинаково – как идеально упругие тела.

Возвращение в исходному вопросу: • С помощью какого механического воздействия можно распознать природу тел (отличить одно тело от другого)? • ОТВЕТ:

Вторая аксиома • Каждый реальный материал обладает всеми реологическими свойствами, хотя и в разной степени. • H, St. V, N • H, • H St. V, N , St. V, N

Третья аксиома • Существует иерархия реологических тел: тело, низшее по иерархии, должно получаться из тела, высшего по иерархии, если в последнем приравнять нулю некоторые реологические параметры. • Последовательное и параллельное соединение идеальных тел: моделирование реальных тел.

ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕЛ 1. Последовательное соединение элементов t = t 1 =. . . = tn, g = g 1 + . . . + gn 2. Параллельное соединение элементов t = t 1 +. . . + tn , g = g 1 = . . . = gn СЛОЖНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕЛА 1. Тело Прандтля: P = H – St. V γs – γe = γp

Ползучесть горных пород Тело Пойнтинга-Томсона PT = M | H 1

Кривые изменения сдвиговой деформации во времени Затухающая ползучесть τ = const Незатухающая ползучесть τ = const

Ползучесть и пластическая деформация • По внешним признакам ползучесть похожа на пластическое течение горных пород. Принципиальная же разница в том, что пластичность проявляется за пределами упругости при возрастающих нагрузках. • Ползучесть может возникнуть при нагрузках, меньших предела упругости (текучести) горных пород, причем длительность воздействия нагрузки для фиксирования ползучести, как правило, велика.

К чему приводит ползучесть горных пород стенки скважины • Потеря устойчивости пород в открытом стволе, смятие обсадных колонн, потери стволов при наклонном бурении.

Ползучесть горных пород стенки скважины • Инициатор ползучести у горных пород разный: - Ползучесть глин и глинистых пород является следствием наличия водно-коллоидных связей в этих породах. Водные пленки играют роль смазочного материала, по которому ползут частицы минерального скелета. - Ползучесть песчаников и других осадочных пород, имеющих глинистый цемент, объясняется свойства-ми этого цемента.

Ползучесть горных пород стенки скважины • В мерзлых горных породах роль цементирующего вещества играет лед, который вызывает ползучесть минерального скелета. • Ползучесть соленосных пород определяется наличием в них солей. Эти горные породы начинают течь при весьма малых нагрузках, так как соли не имеют несущей способности и передают нагрузку так же, как жидкости.

Ползучесть • Склонны к ползучести соленосные породы, многолетние мерзлые пласты горных пород, аргиллиты, глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом.

Релаксация напряжений • Возвращаемся к исходному уравнению б) γi = const: релаксация напряжений τ = τоe–t/T , T = η/G

Релаксация напряжений • Релаксация напряжений характеризуется периодом (временем) релаксации (время, в течение которого напряжение убывает в «е» раз (е = 2, 71 – основание натурального логарифма). • Время релаксации: • • • Известняки – 1, 05 · 105 – 1010 с; Песчаники – (1, 07 - 2, 6) · 105 с; Глинистые сланцы (2, 6 – 34, 5) · 105 с; Плотные глины – (8, 6 – 17, 3) · 105 с. Лед – 102 -103 c; Вода – 10– 11 с.

Тело Максвелла • Тело Максвелла – упруго-вязкое тело. Его поведение при деформировании определяется соотношением времени действия нагрузки t и времени релаксации T: - при t >> T – тело М ведет себя как жидкость, - при t << T – тело М ведет себя как твердое тело

СЛОЖНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕЛА 3. Тело Шведова SW τ τо τ* t

Физические уравнения a) Упругий массив горных пород εx = [σx – v (σy + σz)]/Е εy = [σy – v (σx + σz)]/Е εz = [σy – v (σx + σz)]/Е γxy = τxy/G, γxz = τxz/G, γyz = τyz б) Пластический массив горных пород εx – εср = [(σх – σср)/2 G] ∙ ω εy – εср = [(σy – σср)/2 G] ∙ ω εz – εср = [(σz – σср)/2 G] ∙ ω γxy = τxy ∙ ω/G, γxz = τxz∙ ω/G, γyz = τyz ∙ ω/G

Физические уравнения • в) Вязкий массив горных пород • теория старения • теория упрочнения

Примерные вопросы к рейтингу • Тело Максвелла, время релаксации и проявление упругих и вязких свойств в этом теле. . • Дать определение понятию «ползучесть» . Затухающая и незатухающая ползучесть. Кривые ползучести горных пород. Где при бурении ствола скважины возникают условия появления ползучести. К чему это приводит? • Охарактеризовать тело Прандтля. Привести деформационную кривую, характерную для этого тела? • Аксиомы реологии. • Написать реологические уравнения состояния, характеризующее изменение объема и формы тела Ньютона. Привести соответствующие графики. • Тела Гука, Сен-Венана, Ньютона. • Реологические параметры и их размерности.