Distribuzione delle sollecitazioni durante la compressione a freddo di rocce e inerti minerali mediante diffrazione di raggi x di sincrotrone-basato

La spiegazione razionale dietro il metodo presentato in questo articolo è quello di quantificare la distribuzione delle sollecitazioni all’interno di rock e campioni aggregati di minerali durante la compressione e successiva compattazione. Comprendere la compattazione nelle rocce e inerti minerali è di grande importanza per serbatoio e^{8,17,18,19,20,28 di ingegneria geotecnica ,33}. Compattazione agisce per ridurre la porosità e quindi, conduce ad un aumento della pressione interstiziale. Qualsiasi tale aumento della pressione interstiziale conduce ad una diminuzione nella pressione efficace³⁵. La conseguenza è che indebolirà notevolmente la roccia serbatoio e pertanto possono essere soggette a guasti prematuri alle abbassare lo stress. Alcuni esempi delle conseguenze risultanti di deformazione anelastica del sottosuolo include: insufficienza nella produzione di sostenere a lungo termine in petrolio e gas serbatoi^28,33, superficie subsidenza^{8, 18 , 19 , 20}e alterazione del flusso del fluido modelli¹⁷. Di conseguenza, una conoscenza completa di compattazione elabora in rocce e inerti minerali potrebbe aiutare a ridurre la possibilità di tali conseguenze potenzialmente negative.

Il grande vantaggio dell’utilizzo del metodo evidenziato qui è che esso fornisce un mezzo per quantificare la distribuzione delle sollecitazioni interne nell’ambito di un geomaterial^5,6 rispetto a livello mondiale-mediata esternamente applicato pressione^{12 , 22}. Inoltre, come un esperimento in situ , l’evoluzione della distribuzione dello stress è risolta nel tempo. Le pressioni applicate esternamente considerato variano da valori relativamente bassi (decine di megapascals) a valori elevati (diversi gigapascals). Lo stress all’interno del campione viene misurato indirettamente utilizzando la spaziatura del reticolo atomico all’interno di singoli grani minerali come una misura della deformazione elastica locale^5,6. La spaziatura di reticolo atomico è determinata con l’ausilio di raggi x, comunemente in entrambi la modalità dell’esame radiografico del bianco o monocromatico. Per la modalità raggi x bianco (ad es., DDIA presso 6BM-B beamline di Advanced Photon fonte (APS), Argonne National Laboratory), l’intensità del fascio di raggi x del fascio diffratto è determinato non solo uno, ma da una serie di rivelatori di Ge 10-elemento ( Figura 1) distribuiti lungo un cerchio fisso a angoli azimutali di 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 °, 270 °. Per la modalità monocromatica di raggi x, il pattern di diffrazione viene registrato utilizzando un CCD rivelatore (ad es., DDIA-30 presso beamline 13-ID-D del GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)^18,23. Entrambe le modalità raggi x consentono quantificazione su come lo stress varia in diversi orientamenti. Questo approccio è fondamentalmente diverso da tutti gli studi precedenti di compattazione in geomateriali.

Negli studi di compattazione tipico, un campione cilindrico è compresso da una forza assiale che viene applicata in tutta l’area della sezione trasversale per l’ attuatore²⁵. In tali condizioni, la grandezza della grandezza sollecitazione applicata è generalmente calcolata dividendo semplicemente la forza assiale (misurata da una cella di carico) per l’area della sezione trasversale iniziale del campione. Dovrebbe essere notato che questa grandezza di sollecitazione applicata è semplicemente un valore medio, alla rinfusa e, come tale, non realisticamente rappresenta come lo stato di sollecitazione locale varia o è distribuito, all’interno di un materiale granulare, eterogeneo e complesso. Detritiche roccie sedimentarie, che sono esempi di materiali granulari complessi, sono formate dall’aggregazione di grani minerali che sono successivamente compattato e cementato attraverso processi deposizionale e diagenetica^{1,7, 21 , 30 , 31}. questi aggregati naturalmente ereditano i pori che compongono gli spazi vuoti tra i grani, che sono intrinseci dalla geometria dell’imballaggio di grano per volta dalla dissoluzione secondario. Quindi, qualsiasi sollecitazione applicata è dovrebbe essere sostenuto da e concentrato al grano per grano contatti e a sparire alle interfacce di grano-poro.

Oltre alla complessità di variazione di sforzo all’interno di un materiale granulare, altri fattori ulteriormente complicano la compattazione studiando in questi scenari. In primo luogo, il campo di stress locali è vulnerabile a eventuali modifiche a causa di artefatti microstrutturali (ad es., forma del grano, fratture di preesistenza) che sono inevitabilmente presenti all’interno di qualsiasi roccia sedimentaria detritica. In secondo luogo, sebbene la grandezza della sollecitazione applicata che agiscono sulle superfici campione possa essere completamente quantificata, la distribuzione delle tensioni all’interno del corpo del campione è rimasto poco vincolata. Un effetto di fine³² — un contorno di effetto per cui la sollecitazione media è concentrata vicino il contatto fra i rams di caricamento ed i campioni a causa di attrito interfaccia — è noto per essere esposta in un carico di compressione di provini cilindrici. Ad esempio, Peng²⁶ dimostrato ceppo eterogeneità all’interno di campioni di granito uniassiale compressi sottoposti ad una varietà di condizioni finali. Quindi, per calcolare con precisione la distribuzione delle sollecitazioni locali in materiale granulare, presentiamo il seguente protocollo dettagliato per l’esecuzione di esperimenti di diffrazione di raggi x (XRD) su rocce e inerti minerali, utilizzando un apparato di multi-incudine deformazione alle 6-BM-B della beamline di APS all’Argonne National Laboratory.