Distribution des contraintes lors de la Compression froide des roches et des agrégats de minéraux à l’aide de la Diffraction des rayons x axés sur le rayonnement Synchrotron

La logique de la méthode présentée dans cet article est de quantifier la distribution des contraintes dans les roches et minéraux échantillons globaux au cours de la compression et du compactage ultérieur. Comprendre le compactage dans les roches et les agrégats minéraux est d’une grande importance au réservoir et géotechnique de^{8,17,18,19,20,28 ,},³³. Compactage prend des mesures pour réduire la porosité et par conséquent, conduit à une augmentation de la pression interstitielle. L’augmentation de la pression interstitielle conduit à une diminution de la pression effective³⁵. La conséquence est qu’il va affaiblir considérablement la roche réservoir et peut donc être soumis à une défaillance prématurée à basse tension. Quelques exemples des conséquences résultants de la déformation d’inélastique dans la sous-surface comprennent : échec dans financièrement la production à long terme dans le pétrole et le gaz réservoirs^28,33, subsidence^8, de surface ^{18 , 19 ,} modification des écoulements de fluides modèles¹⁷et ²⁰. Par conséquent, une connaissance approfondie de la compaction des processus dans les roches et les agrégats minéraux pourraient aider à réduire la possibilité de telles conséquences potentiellement négatives.

Le grand avantage de l’utilisation de la méthode a mis en évidence ici est qu’il fournit un moyen de quantifier la distribution des contraintes à l’intérieur un géomatériaux^5,6 par rapport à la moyenne dans le monde extérieur appliqué pression^{12 , 22}. en outre, comme une expérience in situ , l’évolution de la distribution des contraintes est résolue dans le temps. Les pressions appliquées extérieurement considéré comme gamme de valeurs relativement faibles (des dizaines de mégapascals) à des valeurs élevées (plusieurs gigapascals). Le stress au sein de l’échantillon est mesuré indirectement en utilisant l’espacement de trellis atomiques dans les grains minéraux individuels comme une mesure de la déformation élastique locale^5,6. L’espacement du réseau atomique est déterminée à l’aide de rayons x, généralement en soit le mode de rayons x blanc ou monochrome. Pour le mode blanc aux rayons x (par exemple, dia à beamline 6BM-B de l’Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory), l’intensité du faisceau diffracté radiographie est déterminée par non pas un seul, mais par un ensemble de détecteurs de Ge 10 éléments ( Figure 1) répartis le long d’un cercle fixe à angle azimutal de 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 °, 270 °. Pour le mode monochrome de rayons x, le modèle diffracté est inscrit à l’aide d’un CCD détecteur (p. ex., dia-30 à beamline 13-ID-D du GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)^18,23. Les deux modes de rayons x permettent de quantification sur comment le stress varie dans différentes orientations. Cette approche est fondamentalement différente de toutes les études antérieures de compactage dans les géomatériaux.

Dans les études de compactage typique, un échantillon cylindrique est comprimé par une force axiale qui est appliquée dans l’ensemble de la section transversale de l’ actionneur²⁵. Dans ces conditions, l’ampleur de l’amplitude de la contrainte appliquée est généralement calculée en divisant simplement la force axiale (mesurée par une cellule de charge) de la section transversale initiale de l’échantillon. Il est à noter que cette amplitude de contrainte appliquée est simplement une valeur moyenne, en vrac et, comme tel, ne pas réaliste représente comment l’état des contraintes locales varie ou est distribué, au sein d’un matériau complex, hétérogène, granulaire. Les roches sédimentaires détritiques, qui sont des exemples de matériaux granulaires complexes, sont forment par agrégation de grains de minéraux qui sont ensuite compactés et cimenté par le biais de processus sédimentaires et diagénétique^{1,7, 21 , 30 , 31}. ces agrégats héritent naturellement les pores qui composent les espaces vides entre les grains, qui sont intrinsèques de la géométrie de l’emballage de grain modifié par dissolution secondaire. Par conséquent, toute application d’une contrainte devrait être pris en charge par et concentré aux contacts de grain au grain et disparaissent aux interfaces de grain-pore.

En plus de la complexité de ces variations de contraintes dans un matériau granulaire, autres facteurs plus compliquent compactage étudier dans ces scénarios. Tout d’abord, le champ de contraintes locales est vulnérable à tout changement en raison des artefacts microstructures (p. ex., forme des grains, préexistant des fractures) qui sont inévitablement présents dans toutes les roches sédimentaires détritiques. Deuxièmement, bien que l’amplitude de la contrainte appliquée sur les surfaces de l’échantillon peut être entièrement quantifié, la répartition des contraintes dans le corps de l’échantillon est restée mal limitée. Un effet de fin³² — une limite l’effet par lequel la contrainte moyenne est concentrée près du contact entre les béliers de chargement et les échantillons en raison de frottement à l’interface — est bien connu pour être exposées dans des échantillons cylindriques chargés en compression. À titre d’exemple, Peng²⁶ démontré souche hétérogénéité au sein de granit uniaxialement compressé échantillons soumis à diverses conditions de fin. Par conséquent, pour calculer avec précision le la distribution des contraintes locales en matériau granulaire, nous présentons le protocole détaillé suivant pour réaliser des expériences de diffraction des rayons x (DRX) sur les rochers et les agrégats minéraux, utilisant un appareil multi-enclume déformation à 6-BM-B de la source de rayonnement de l’APS à l’Argonne National Laboratory.