Distribuição de estresse durante a compressão fria de rochas e minerais agregados usando difração de raio x do Synchrotron-baseado

A lógica por trás do método apresentado neste artigo é quantificar a distribuição de estresse dentro de rochas e mineral amostra durante a compressão e compactação subsequente. Compreender a compactação em rochas e minerais agregados é de grande importância para o reservatório e Geotecnia engenharia^{8,17,18,19,20,28 ,33}. Compactação atua para reduzir a porosidade e, portanto, leva a um aumento da pressão de poros. Qualquer tal aumento da poro pressão leva a uma diminuição na pressão efectiva³⁵. A consequência é que diminuirá significativamente a rocha reservatório e, portanto, pode ser submetido a falha prematura a baixa tensão. Alguns exemplos das consequências resultantes da deformação inelástica em subsuperfície incluir: falha na produção de longo prazo sustentável em petróleo e gás reservatórios^28,33, subsidência^8, de superfície ^{18 , 19 , 20}e alteração dos padrões de fluxo de fluido¹⁷. Portanto, um conhecimento abrangente de compactação processa-se em rochas e agregados minerais poderiam ajudar em reduzir a possibilidade de tais consequências potencialmente negativas.

A grande vantagem de usar o método destacado aqui é que fornece um meio para quantificar a distribuição de estresse internamente dentro de um geomaterial^5,6 , no que diz respeito a nível global-em média externamente aplicada pressão^{12 , 22}. Além disso, como um experimento em situ , a evolução da distribuição do estresse é tempo-resolvido. As pressões aplicadas externamente considerado intervalo de valores relativamente baixas (dezenas de mega Pascal) a valores altos (vários gigapascais). O estresse dentro da amostra é medido indiretamente usando o espaçamento da estrutura atômica dentro de grãos minerais individuais como uma medida da deformação elástica local^5,6. O espaçamento da estrutura atômica é determinado com o auxílio de X-radiation, comumente no modo de raio-x branco ou monocromático. Para o branco modo raio x (por exemplo, FELLYPE em 6BM-B trajetória do Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory), a intensidade do feixe de raios-x de feixe difractado é determinada por não apenas um, mas por uma matriz de detectores de Ge 10-elemento ( Figura 1) distribuídos ao longo de um círculo fixo a azimutal ângulos de 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 °, 270 °. Para o modo monocromático de raios-x, o padrão difractado é gravado usando um CCD detector (por exemplo, FELLYPE-30 em 13-ID-D trajetória do GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)^18,23. Ambos os modos de raio-x permitem a quantificação sobre como o stress varia em diferentes orientações. Esta abordagem é fundamentalmente diferente de todos os estudos anteriores de compactação em Geomateriais.

Em estudos de compactação típica, uma amostra cilíndrica é comprimida por uma força axial é aplicado em toda a área de seção transversal pelo atuador²⁵. Sob tais condições, a magnitude da magnitude da tensão aplicada geralmente é calculada dividindo-se simplesmente a força axial (medida por uma célula de carga) pela área de seção transversal inicial da amostra. Deve notar-se que desta magnitude da tensão aplicada é meramente um valor médio, em massa e, como tal, não realisticamente representa como o estado de estresse local varia, ou é distribuído, dentro de um material granular, complexo, heterogêneo. Rochas sedimentares detríticos, que são exemplos de materiais granulares complexos, são formadas pela agregação de grãos minerais que são posteriormente compactado e cimentado através de processos Deposicionais e LGMA^{1,7, 21 , 30 , 31}. Estes agregados naturalmente herdam os poros que compõem os espaços vazios entre os grãos, que são intrínsecos da geometria da embalagem de grãos modificada por dissolução secundária. Daí, qualquer estresse aplicada é esperado para ser suportado pelo e concentrado em contatos de grão-de-grão e desaparecer no grão-poro interfaces.

Além da complexidade da variação de tensão dentro de um material granulado, outros fatores mais complicam a compactação estuda nesses cenários. Primeiro, o campo de tensões locais é vulnerável a qualquer alteração devido a artefatos microestrutural (por exemplo, forma de grão, preexistente fraturas) que estão inevitavelmente presentes dentro de qualquer detrital rocha sedimentar. Em segundo lugar, embora a magnitude da tensão aplicada agindo sobre as superfícies de amostra pode ser plenamente quantificada, a distribuição das tensões dentro do corpo da amostra permaneceu mal restrita. Um fim efeito³² — um limite efeito pelo qual a tensão média é concentrada perto do contato entre os carneiros de carregamento e as amostras devido ao atrito da interface — é bem conhecido para ser exibida em amostras cilíndricas carregadas em compressão. Como exemplo, Peng²⁶ demonstrou heterogeneidade de tensão dentro de granito uniaxially comprimido amostras submetidas a uma variedade de condições finais. Portanto, para calcular com precisão a distribuição de estresse local em material granular, apresentamos o seguinte protocolo detalhado para a realização de experimentos de difração de raios x (XRD) em rochas e agregados minerais, usando um aparelho multi bigorna deformação no 6-BM-B da trajetória da APS no Argonne National Laboratory.