The need for high pressure rock tests for a geological survey at great depths

• Autorzy: Pienińska J.

Warianty tytułu

PL

Potrzeba wysokociśnieniowych badań skal dla wgłębnego rozpoznania geologicznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of high-pressure and high-temperature laboratory testing of rocks for modelling rock behaviour mechanisms at depths not directly accessible. The uniaxial and triaxial strength tests under controlled pressure and temperature were performed on various rocks: a Kośmin syenite, a Górażdże limestone and a Blue Cloud granite-gneiss from Canada. Sampies confined in the thermo-compression chamber were tested using an MTS-815 machine at temperatures (T) 24 and 100°C under uniaxial conditions, and at confining pressures (P) of 30 and 60 MPa. Generally, all the rock types showed a significant increase in compressive strength with an increase of confining pressure while the thermal impact is variable. The strength of granite and granite-gneiss increased under uniaxial compression with an increase of temperature from 24 to 100°C, while the strength of the limestone decreased. Under triaxial compression conditions, an increase in temperature caused a decrease in the strength of granitic rocks and an increase in the strength of the limestone (Fig. 4). Combined pressure and temperature-induced deformation processes result in a variability of rock bulk density (P) changes (Fig. 9). Therefore, under the combined impact of pressure and temperature at greater depths, rock density depends on the balance between thermal and mechanical stresses. Thus the rock parameters determined under surface conditions without modelIing the impact of great depth conditions cannot be used as a criterion for determining rock properties at greater depths. The simple extrapolation of rock properties from surface conditions to those at a greater depth will be inaccurate.

PL

Dla weryfikacji i uszczegółowienia hipotez litologicznych i diagnostyki geologicznej na głębokości powyżej kilkunastu kilometrów opartych na badaniach geofizycznych niezbędne są badania znanych, rzeczywistych ośrodków skalnych w warunkach złożonego stanu naprężeń i temperatury. Badania te wykonywane w termicznych komorach wysokich ciśnień umożliwiają ustalenie rzeczywistych zmian gęstości, wytrzymałości i odkształcalności danej odmiany litologicznej skały na tle mechanizmów przebudowy jej struktury pod wpływem wzrostu ciśnienia i temperatury. W pracy przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych nad reakcją skał na podwyższone ciśnienie i temperaturę na przykładzie sjenitu z Kośmina (skała magmowa), wapienia z Górażdży (skała osadowa) oraz granitognejsu Silver Cloud (skała metamorficzna). Do badań zastosowano wysokociśnieniową komorę termiczną, stanowiącą wyposażenie sztywnej prasy wytrzymałościowej MTS-815 (rys. 3). Badania prowadzono w warunkach ściskania próbek walcowych o średnicy 50 mm w temperaturze 24°C oraz 100°C, w warunkach jednoosiowego ściskania oraz stosując dwa stopnie ciśnienia okólnego (P) 30 MPa oraz 60 MPa. Rezultaty badań wskazują, że oddziaływanie temperatury, ciśnienia lub obu tych czynników równocześnie może skutkować bądź redukcją bądź wzrostem wytrzymałości skały w stosunku do warunków jednoosiowego ściskania w tradycyjnej temperaturze laboratoryjnej 24°C (rys. 4 i 5). Zależy to od struktury skały, architektury jej zespołu ziarnowego oraz właściwości termicznych. Podwyższona temperatura wywołuje wzrost wytrzymałości skał do chwili gdy rozszerzanie termiczne ziaren nie powoduje ich zniszczenia. Stąd w krystalicznych skałach magmowych i metamorficznych (sjenit, granitognejs) w podwyższonej do 100°C temperaturze w warunkach jednoosiowego ściskania, stwierdzono wyższą wytrzymałość niż w temperaturze 24°C, co jest związane z rozszerzeniem się mocnych ziaren i zwiększeniem ich powierzchni kontaktowych. Natomiast w warunkach trójosiowego stanu naprężeń działanie ciśnienia okólnego (30 MPa i 60 MPa) ograniczało możliwość rozszerzania ziaren, a zniszczenie nie mogących się swobodnie rozszerzać ziaren wywołało redukcję wytrzymałości skały. W osadowych skałach węglanowych (wapienie) o słabych, nieregularnych ziarnach naprężenia termiczne w temperaturze 100°C powodują, w warunkach jednoosiowego ściskania, obniżenie wytrzymałości w stosunku do tej właściwej temperaturze 24°C. Natomiast przy jednoczesnym działaniu ciśnienia (P = 30 MPa oraz 60 MPa) i temperatury do 100°C gdy ziarna od razu niszczone są wskutek naprężeń termicznych, działanie podwyższonego ciśnienia jest nadrzędne i manifestuje się ogólnym trendem wzrostu wytrzymałości skały. Pod działaniem naprężeń termicznych w warunkach trójosiowego stanu naprężeń dochodzi zatem do przemian strukturalnych, których efektem są zróżnicowane zmiany gęstości objętościowej ośrodka skalnego (rys. 9). Zmiany te nawet w zakresie liniowości odkształceń osiowych mają dla różnych poziomów ciśnienia obwodowego (P) i temperatury (t) charakter nieliniowy i początkowo w stanach przedzniszczeniowych prowadzą do wzrostu gęstości objętościowej, natomiast stanach pozniszczeniowych na skutek kataklastycznego kruchego zniszczenia struktury, szczególnie w skałach krystalicznych wywołują znaczące rozluźnienie materiału. Zmiany strukturalne i wywodzące się z nich nieliniowe zmiany gęstości i wytrzymałości skał znajdują odzwierciedlenie w obrazie pola falowego. Stąd istotą termicznych badań wysokociśnieniowych jest ustalenie dla różnych odmian litologicznych skał, warunków utraty stateczności ich struktury w zmieniających się warunkach równowagi naprężeń termicznych i sił zewnętrznych.

Słowa kluczowe

EN

deformation; great depths; high pressure; high temperature; rock density; triaxial compression

PL

głębokość duża; gęstość skał; odkształcenie; trójosiowe ściskanie; temperatura wysoka; wysokie ciśnienie

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 3
• Strony: 281--296
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pienińska J.

• University of Warsaw, Faculty of Geology. Department of Geomechanics, Al. Żwirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa, Poland

Bibliografia

• Bakun-Czubarow N., 2006. Wybrane parametry minerałów i skał w funkcji ciśnienia i temperatury oraz ich przydatność do interpretacji danych geofizycznych. Prace PIG. t. 188. Wyd. PIG, Warszawa. 9-24.
• Buhler M., Mutschler Th., Natau O., 2006. Investigation of the stability of deep wellbore in sedimentary rocks including time and temperature effects. Universität Karlsruhe, Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (Poster).
• Carmichael R.S. (ed.), 1989. CRC Practical Handbook of Physical Properties of Rocks and Minerals. CRC Press, Boca Raton. 741 p.
• Fabre D., Gustkiewicz J., 1997. Poroelastic properties of limestones and sandstones under hydrostatic conditions. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 34, 127-134.
• Frelkiewicz S., Lis J., 1975. Wytrzymałość i sprężystość skał węglanowych w trójosiowym stanie naprężeń. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki Politechniki Wrocławskiej, nr 13 (Konferencje, nr 3), 91-118.
• Gustkiewicz J., 1985. Transition of rocks from the brittle to ductile state: strain at failure as function of confining pressure. Acta Geophysica Polonica, Vol. XXXIII, No. 2, 169-181.
• Gustkiewicz J., 1989. Objętościowe deformacje skały i jej porów. Archives of Mining Sciences, Vol. 34, No. 3, 593-609.
• Kłeczek Z., Flisiak D., Wosz R., 1999. Czynnik czasu w problematyce stateczności podziemnych wyrobisk górniczych. Geotechnika w górnictwie i budownictwie specjalnym. Konf. nauk.-tech. poświęcona 50-leciu pracy Profesora Henryka Filcka (AGH, Kraków, 9-10 grudnia 1999 r.). Wyd. ,,SCRIPTUM'', Kraków. 147-154.
• Kwaśniewski M., 1983. Deformational and strength properties of the three structural varieties of Carboniferous sandstones. Proceedings of the 5th International Congress on Rock Mechanics (Melbourne, April 10-15, 1983), Vol. 1. A. A. Balkema, Rotterdam. A105-A115.
• Kwaśniewski M., Takahashi M., Li X., 2003. Volume changes in sandstone under true triaxial compression conditions. Proceedings of the 10th Congress of the ISRM (Sandton, September 8-12, 2003), Vol. 1. The South African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg. 683-688.
• Łukaszewski P., 2004. Strukturalne uwarunkowania wytrzymałości piaskowców krośnieńskich z Mucharza poddanych wysokim ciśnieniom. Geotechnika i Budownictwo Specjalne (Materiały XXVII ZSMGiG). Wyd. AGH, Kraków. 151-160.
• Martin C.D., Read R.S., Lang P.A., 1990. Underground Research Laboratory: Seven years of insitu stress measurements at the URL. Rock Mechanics Contribution and Challenges (W.A. Hustrulid and G.A. Johnson, eds). A. A. Balkema, Rotterdam. 15-26.
• Martin C.D., Simmons G.R., 1992. The underground research laboratory - an opportunity for basic rock mechanics. ISRM News Journal, Vol. 1, No. 1, 5-12.
• Napier J.A.L., Pearce A.P., 1995. Simulation of extensive fracture formation and interaction in brittle materials. Mechanics of Jointed and Faulted Rock (H.-P. Rossmanith, ed.). A. A. Balkema, Rotterdam. 63-73.
• Nowakowski A., Nurkowski J., 1985. A new method of measuring circumferential displacements in a triaxial cell. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 32, 65-70.
• Piguet J.-P., 2001. The French Underground Research Laboratory for radioactive waste isolation. ISRM News Journal, Vol. 6, No. 3, 18-19.
• Pinińska J., 2002. Zastosowanie badań nieniszczących w wytrzymałościowej klasyfikacji skał i masywów skalnych. Prace GIG, Górnictwo i Środowisko, t. 4. Katowice. 81-95.
• Pinińska J., 2004. Structural basis of compressive, extension and shearing mechanisms in the Carpathian flysch rocks. J. Theor. Appl. Mech., Vol. 42. No. 2, 315-323.
• Pinińska J., 2006a. Rola laboratoryjnych badań wytrzymałościowych w interpretacji modelu budowy strukturalnej górnej partii skorupy ziemskiej. Geotechnika i Budownictwo Specjalne (Materiały XXIX ZSMGiG). Wyd. AGH, Kraków. 27-36.
• Pinińska J., 2006b. Stan rozpoznania właściwości geomechanicznych skał w interpretacji budowy strukturalnej górnej partii litosfery. Prace PIG, t. 188. Wyd. PIG, Warszawa. 25-39.
• Pinińska J., Dziedzic A., 1996. Katalogowe ewidencjonowanie geomechanicznych parametrów skał. Prz. Geol., t. 44, nr 3, 325-258.
• Pinińska J., Dziedzic A., 2004. GIS application for geomechanics - a Polish example. Bull. EG&E. Vol. 63, No. 1, 83-87.
• Sanetra U., Szedel D., 1997. Badania właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowych skał karbońskich z cyklicznymi nawrotami obciążeń w fazie pokrytycznej. Geotechnika Górnicza i Budownictwo Podziemne (Materiały XX ZSMG). Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław. 399-409.
• Ślizowski K., 2005. Badania laboratoryjne żubrów (iłowców solnych) dla oceny możliwości składowania odpadów promieniotwórczych w polskich wsadach solnych. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków. 1-160.