Distributie van de stress tijdens koude compressie van gesteenten en minerale aggregaten met behulp van röntgendiffractie Synchrotron gebaseerde

De grondgedachte achter de methode die in dit artikel is te kwantificeren van de spreiding van de stress in rock en minerale verzamelmonsters tijdens compressie en latere verdichting. Inzicht in de verdichting in gesteenten en minerale aggregaten is van groot belang voor reservoir en geotechnische engineering^{8,17,18,19,20,28 ,33}. Verdichting fungeert om porositeit, en dus leidt tot een toename van de druk van de porie. Een dergelijke verhoging van porie druk leidt tot een afname van de effectieve druk³⁵. Het gevolg is dat het een aanzienlijke verzwakking de reservoir rots betekenen zal, en kan daarom worden onderworpen aan voortijdige falen op lagere spanning. Enkele voorbeelden van de daaruit voortvloeiende gevolgen van inelastisch vervorming in de ondergrond opnemen: storing in onderhoudende lange termijn productie in olie en gas reservoirs^28,33, oppervlakte verzakking^{8, 18 , 19 , 20}, en wijziging van vloeistofstromen patronen¹⁷. Daarom een uitgebreide kennis van verdichting verwerkt in gesteenten en minerale aggregaten zou helpen bij het verminderen van de mogelijkheid van dergelijke potentieel negatieve gevolgen.

Het grote voordeel van het gebruik van de methode gemarkeerd hier is dat het een middel om te kwantificeren stress distributie binnen een geomaterial^5,6 met betrekking tot de wereldwijd gemiddeld extern toegepast druk^{12 , 22}. de evolutie van de verdeling van spanning is bovendien als een experiment in situ , time-resolved. De extern toegepaste druk beschouwd variëren van relatief lage waarden (tientallen megapascals) tot hoge waarden (verschillende gigapascals). De stress in het monster wordt niet indirect gemeten met behulp van de atomic rooster afstand binnen individuele minerale korrels als een maatregel van de lokale elastische stam^5,6. De afstand van de atomic rooster wordt bepaald met behulp van straling, meestal in beide de modus van witte of monochromatisch X-ray. Voor de witte X-ray modus (bijvoorbeeld, DDIA op 6BM-B beamline van de geavanceerde Photon bron (JBS), Argonne National Laboratory), wordt de intensiteit van een bundel van de X-ray eiwitkristallen lichtbundel bepaald door niet één, maar door een array van 10-element Ge detectoren ( Figuur 1) verspreid langs een vaste cirkel azimutale hoek van 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 ° en 270 °. Voor de monochromatische X-ray-modus, is de eiwitkristallen patroon opgenomen met behulp van een CCD detector (bijvoorbeeld DDIA-30 op 13-ID-D beamline van de GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)^18,23. Beide modi X-ray kunt kwantificering op hoe de stress in verschillende richtingen varieert. Deze aanpak is fundamenteel verschilt van alle eerdere studies van verdichting in geomaterials.

In typische verdichting studies, wordt een cilindrische monster gecomprimeerd door een axiale kracht die is toegepast op de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de bedieningssleutel²⁵. Onder dergelijke omstandigheden, wordt de omvang van de omvang van de toegepaste spanning doorgaans berekend door gewoon de axiale kracht (gemeten door een belasting-cel) door de oorspronkelijke oppervlakte van de dwarsdoorsnede van het monster. Opgemerkt moet worden dat deze omvang van de toegepaste spanning slechts een gemiddelde, bulk waarde is en, als zodanig niet realistisch vertegenwoordigt hoe de lokale stress staat varieert, of is gedistribueerd, binnen een complexe, heterogene, granulair materiaal. Geërodeerde sedimentaire gesteenten, die voorbeelden van complexe granulaire materialen zijn, worden gevormd door samenvoeging van minerale korrels die later worden gecomprimeerd en gecementeerd t/m energetisch en diagenetic processen^{1,7, 21 , 30 , 31}. deze aggregaten natuurlijk erven poriën waaruit de nietig ruimtes tussen korrels, intrinsieke uit de geometrie van graan verpakking gewijzigd door secundaire ontbinding. Vandaar, is elke toegepaste spanning verwacht worden ondersteund door en geconcentreerd op graan-naar-grain contacten, en verdwijnen op graan-porie interfaces.

Naast de complexiteit van stress variatie binnen een korrelig materiaal compliceren andere factoren verder studeren verdichting in deze scenario’s. Ten eerste, het lokale stress veld is kwetsbaar voor eventuele wijzigingen als gevolg van de microstructurele artefacten (bijvoorbeeld graan vorm, kader van onderzoekopleiding fracturen) die op elke geërodeerde sedimentair gesteente onvermijdelijk aanwezig zijn. Ten tweede, hoewel de omvang van de toegepaste spanning treden bij de monster oppervlakken kan volledig worden gekwantificeerd, de verdeling van de spanningen in het lichaam van de steekproef bleef slecht gebonden. Een einde effect³² — een grens effect waarbij de gemiddelde stress is geconcentreerd in de buurt van het contact tussen de rammen van de laden en de monsters als gevolg van interface wrijving — is bekend om te worden tentoongesteld in cilindrische monsters geladen in compressie. Als voorbeeld, Peng²⁶ aangetoond stam heterogeniteit binnen uniaxially gecomprimeerde graniet monsters onderworpen aan allerlei einde voorwaarden. Vandaar, om nauwkeurig de lokale stress verdeling in korrelig materiaal, presenteren we het volgende gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van röntgendiffractie (XRD) experimenten op rotsen en minerale aggregaten, met behulp van een multi aambeeld vervorming apparatuur op 6-BM-B van de beamline van de APS bij het Argonne National Laboratory.