Способ определения реологических характеристик и длительной прочности материалов Российский патент 2019 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к области испытания материалов, а именно к испытаниям материалов (горных пород, строительных материалов и т.д.) на ползучесть и длительную прочность при заданных уровнях напряжений и температур.

Проявление ползучести горных пород при бурении и креплении ствола скважины может представлять серьезную проблему, поэтому требуется определение реологических констант (ползучести) на кернах и моделирование соответствующих явлений с использованием вязко-упруго-пластической модели среды.

Сминание обсадных колонн при строительстве и/или эксплуатации скважин является следствием сочетания условий залегания (высокие напряжения и температуры) и реологии горных пород в определенных горизонтах, в особенности для углей и каменных солей (галит, сильвинит и т.д.), а также низко консолидированных песчаников и глин, в особенности после гидратации буровым раствором.

Для определения реологических характеристик горных пород отбирают пробу горной породы правильной цилиндрической формы (образец), создают напряженное состояние и температуру, аналогичные естественным условиям залегания, и проводят измерения деформаций образца в течение определенного времени до накопления критического уровня деформаций или разрушения образца. Важно отметить, что необходимо измерять деформации по нескольким осям (достаточно по двум) и объемные деформации, поскольку решение задачи об устойчивости конструкции скважины в массиве каменной соли требует знания характеристик ползучести по двум главным осям (минимального и максимального напряжения) и объемной ползучести.

Ползучесть горных пород характеризуется стационарной (постоянной) скоростью деформаций при заданном уровне напряжений. При накоплении критического уровня дефектов в результате длительной ползучести происходит ускорение ползучести и разрушение образца - указанное явление характеризуется длительной прочностью материала. Скорость деформаций может варьироваться в очень широких пределах в зависимости от материала и условий (напряженного состояния и температуры).

Таким образом, велика потребность в способе определения реологических характеристик и длительной прочности материалов, который бы обеспечивал:

- одновременное измерение продольных (вдоль оси максимального главного напряжения), поперечных (вдоль оси минимального главного напряжения) и объемных деформаций и скоростей деформации образца (во всем требуемом диапазоне деформаций и скоростей деформации);

- создание и поддержание объемного напряженного состояния образца, отвечающего естественным условиям в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, с точностью необходимой для измерения скоростей деформации образца (во всем требуемом диапазоне скоростей деформации);

- создание и поддержание температуры образца, соответствующей естественной температуре в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, с точностью необходимой для измерения скоростей деформации образца (во всем требуемом диапазоне скоростей деформации);

- проведение испытаний в постоянных последовательно сменяющихся условиях (объемное напряженное состояние и температура) в течение длительного времени (от нескольких часов до нескольких месяцев) пока не будут измерены требуемые скорости деформации образца или не наступит разрушение образца, что необходимо для измерения длительной прочности.

Известен способ испытания материалов на ползучесть (см. Tomanovic Z., «Rheological Model of Soft Rock Creep Based on the Tests on Marl», Mechanics of Time-Dependent Materials 10 (2), 135-54, 2006 г.), включающий изготовление образца правильной цилиндрической (или призматической) формы, после чего к образцу прикладывают главное напряжение вдоль продольной оси, а затем регистрируют продольную (осевую) деформацию образца в течение определенного времени до достижения постоянной скорости продольной (осевой) деформации образца, при этом напряжение вдоль продольной оси образца создают посредством грузиков и системы рычагов (полиспастов), мультиплицирующих усилие.

Указанный способ позволяет проводить определение (измерение) продольных деформаций образца, причем способ создания напряженного состояния обеспечивает постоянство главного напряжения вдоль оси образца в течение неограниченного времени и при любых скоростях его деформации (по крайней мере, до разрушения образца). Также указанный способ позволяет проводить последовательные измерения при сменяющихся условиях (только по осевому напряжению), что необходимо для получения реологических констант материала. Однако указанный способ обладает рядом недостатков.

Во-первых, в известном способе отсутствует измерение длительной прочности образца, хотя способ нагружения отвечает требованиям для подобных измерений.

Во-вторых, в известном способе отсутствует измерение поперечных и объемных деформаций образца.

В-третьих, в известном способе отсутствует создание и поддержание температуры образца, равно как и отсутствует возможность варьирования температуры.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения реологических характеристик материалов (см. нормативный документ ASTM D7070, «Standard Test Method for Creep of Rock Core Under Constant Stress and Temperature», 2004 г. https://www.astm.org/Standards/D7070.htm), взятый в качестве прототипа, включающий изготовление образца правильной цилиндрической формы, после чего к образцу прикладывают главное напряжение вдоль продольной оси и создают независимое дополнительное напряжение по нормали к боковой поверхности цилиндра путем помещения образца в камеру объемного сжатия, заполненную жидкостью под давлением, где производят нагрев до заданного значения температуры, а затем регистрируют продольную (осевую) и поперечную (радиальную) деформации образца в течение определенного времени.

Указанный способ позволяет проводить одновременное определение (измерение) продольных и поперечных деформаций образца, помещенного в условия (температура и напряженное состояние) близкие к естественным, в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, при этом напряженное состояние задается двумя независимыми главными напряжениями. Однако указанный способ обладает рядом недостатков.

Во-первых, в известном способе отсутствует возможность измерения длительной прочности образца, поскольку это связано с разрушением образца, а в известном способе отсутствует механизм стабилизации напряжений в режиме высоких скоростей деформации, предшествующих разрушению образца.

Во-вторых, в известном способе отсутствует измерение объемных деформаций образца, а присутствует только измерение продольных и поперечных напряжений, притом только в одной плоскости. Проводимые измерения являются явно недостаточными, поскольку образец в процессе деформирования изменяется, т.е. не сохраняет свою цилиндрическую форму.

В-третьих, в известном способе не раскрыто, каким именно образом создают и поддерживают напряженное состояние образца с точностью, необходимой для измерения скоростей деформации образца во всем требуемом диапазоне скоростей деформации. При этом известные из уровня техники решения ограничены либо временем непрерывной работы (например, гидравлические насосы), либо расходами (например, грузопоршневые генераторы давления), что существенно ограничивает доступный диапазон измеряемых скоростей деформации образца как по скорости воздействия на образец, так и по времени воздействия напряжений.

В-четвертых, в известном способе проводится измерение деформаций образца при фиксированных условиях (температуре и напряженном состоянии), чего недостаточно для получения реальных характеристик ползучести образца, отражающих динамику процесса деформирования вплоть до разрушения.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в устранении указанных недостатков известного способа, а именно: проведение измерений объемных деформаций образца и длительной прочности материала, в описании техники создания и поддержания главных напряжений на образце с точностью необходимой для измерения скоростей деформации образца во всем требуемом диапазоне природных скоростей деформации, а также в выполнении последовательной смены условий (температуры и напряженного состояния), при которых находится образец, отражающих динамику процесса его деформирования вплоть до разрушения.

Указанный технический результат в способе определения реологических характеристик и длительной прочности материала, включающем изготовление образца правильной цилиндрической формы, приложение к образцу главного напряжения вдоль его продольной оси и независимого дополнительного напряжения по нормали к боковой поверхности цилиндра путем его помещения в камеру объемного сжатия, заполненную жидкостью под давлением, где затем производят нагрев образца до заданного значения температуры, после чего регистрируют продольную (осевую) и поперечную (радиальную) деформации образца в течение определенного времени, достигается тем, что образец нагревают пошагово до заданных значений температуры, при этом на каждом шаге изменения температуры независимо варьируют главным и дополнительным напряжениями на образец, причем с каждым шагом изменения напряжений на образце одновременно регистрируют его объемные деформации, а периодическую стабилизацию напряжений на образце осуществляют также пошагово в течение определенных интервалов времени с использованием подключенного к камере объемного сжатия внешнего стабильного источника давления на основе вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, помещенного в емкость со стабилизированной температурой, при этом интервалы времени стабилизации давления выбирают необходимыми для достижения постоянной скорости деформации образца или для наступления его разрушения.

Благодаря тому, что стабилизацию напряжений на образце осуществляют при постоянной температуре рабочего тела - вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, главные напряжения на образце остаются неизменными при любых деформациях образца. Связано это с таким явлением, как двухфазное равновесие жидкости, при котором давления жидкости и насыщенного пара равны между собой, а равновесное давление зависит только от температуры.

При этом любые изменения объема вещества никак не влияют на стабильность давления. Таким образом, использование вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, помещенного в емкость со стабилизированной температурой, позволяет стабилизировать главные напряжения на образце с требуемой точностью во всем диапазоне интересующих скоростей деформации, а управление температурой рабочего тела позволяет задавать требуемые напряжения на образце.

В качестве рабочего тела со стабилизированной температурой целесообразно использовать углекислый газ, у которого линия двухфазного равновесия жидкость/газ проходит точки: -57°С, при давлении 5 атм (тройная точка); 0°С, при давлении 35 атм; 31°С, при давлении 74 атм (критическая точка). Углекислый газ неогнеопасен, инертен и не токсичен, легко доступен, а также обеспечивает требуемые давления при умеренных температурах, при которых работают газовые уплотнения. Однако данный газ является коррозионно активным, и его применение требует использования специальных устойчивых сплавов для емкости и всей трубно-запорной арматуры.

Используя углекислый газ и термостат с диапазоном регулировки 0-30°С, можно обеспечить первичную генерацию давления в диапазоне 35-74 атм, а для создания необходимых напряжений потребуется мультипликатор давления с фиксированным коэффициентом умножения 1-10, обеспечивающий на выходе давления в диапазоне от 35-74 до 350-740 атм (коэффициент регулировки 2:1). При использовании углекислого газа достигается небольшой диапазон регулировки давления, однако требуются мультипликаторы давления с низкими и средними коэффициентами умножения и невысокие температуры, при этом сам газ не горючий и взрывобезопасный, но его применение требует использование коррозионностойких сплавов.

В качестве альтернативного варианта рабочего тела можно также использовать бутан, для которого линия двухфазного равновесия жидкость/газ проходит точки: 0°С, 1 атм; 100°С, 15 атм; 152°С; 38 атм (критическая точка).

Используя бутан, а также термостат с диапазоном регулировки 50-150°С, можно обеспечить первичную генерацию давления в диапазоне 5-35 атм, а для создания необходимых напряжений потребуется мультипликатор давления с фиксированным коэффициентом умножения 5-15, обеспечивающий на выходе давления в диапазоне от 25-175 до 75-525 атм (коэффициент регулировки 7:1).

При использовании бутана достигается большой коэффициент регулировки давления, и при этом требуются мультипликаторы давления со средними коэффициентами умножения, однако, с точки зрения безопасности, бутан - это горючий и взрывоопасный газ, который также требует высоких температур, но при этом он является коррозионно безопасным.

В качестве альтернативного варианта рабочего тела можно использовать воду, для которой линия двухфазного равновесия жидкость/газ проходит точки: 0°С, 0,006 атм (тройная точка); 100°С, 1 атм; 374°С; 218 атм (критическая точка).

Используя воду в качестве рабочего тела, а также термостат с диапазоном регулировки 100-150°С можно обеспечить первичную генерацию давления в диапазоне 1-4.5 атм, а для создания необходимых напряжений потребуется мультипликатор давления с фиксированным коэффициентом умножения 10-30, обеспечивающий на выходе давления в диапазоне от 10-45 до 30-135 атм (коэффициент регулировки 4.5:1). Вода не огнеопасна, не токсична, легко доступна, однако требует нагрев до температур свыше 100°С и применения специальных уплотнений. Кроме того, длительный нагрев в присутствии воды создает условия для коррозии металлических сплавов, поэтому потребуется выбор устойчивых к коррозии сплавов. При использовании воды достигается средний коэффициент регулировки давления, однако требуются мультипликаторы давления со средними и высокими коэффициентами умножения и высокие температуры. При этом, хотя вода - это жидкость не горючая и взрывобезопасная, ее применение также требует использование коррозионностойких сплавов.

Использование только первичных генераторов давления ограничивает возможности моделировать условия залегания глубинами до 400 метров, а для воссоздания условий залегания при глубинах потребуются мультипликаторы давления.

Благодаря измерению объемных деформаций образца, способ обеспечивает получение полного набора реологических характеристик материала, описывающих изменение напряженно-деформированного состояния в условиях, отвечающих естественным условиям в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, а именно в условиях деформирования при ограничениях на степени свободы.

Благодаря тому, что образец последовательно нагревают до заданных значений температуры, при этом независимо варьируя главное и дополнительное напряжения на образец, в течение определенных интервалов времени, которые выбирают необходимыми для достижения постоянной скорости деформации образца или наступления его разрушения, получают набор реологических характеристик материала, описывающих изменение напряженно-деформированного состояния в условиях, отвечающих естественным условиям в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, а именно, при значительном варьировании напряжений и/или температур.

Благодаря тому, что нагружение образца возможно проводить вплоть до его разрушения, становится возможным определение длительной прочности материала.

Таким образом, заявляемый способ определения реологических характеристик и длительной прочности материалов, благодаря тому, что проводят измерения продольных, поперечных и объемных деформаций образца, при пошагово сменяющихся условиях (температура и главные напряжения), в течение интервалов времени, которые выбирают необходимыми для достижения постоянной скорости деформации образца или наступления его разрушения, а стабилизацию напряжений на образце осуществляют при постоянной температуре рабочего тела - вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, что позволяет получать набор реологических характеристик материала, описывающих изменение напряженно-деформированного состояния в условиях, отвечающих естественным условиям в цельном массиве или в околоскважинном пространстве, а также позволяет определять длительную прочность материала, что не имеет аналогов среди известных способов определения реологических характеристик и длительной прочности материалов, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема самой простой реализации заявляемого способа. Устройство включает два генератора давления, которые соединены с ячейкой объемного сжатия. Генераторы давления 1а и 1б включают задающие объемы (емкости) 2а и 2б, заполненные рабочим телом - веществом, находящимся в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, которые, в свою очередь, помещены в термостаты 3а и 3б, причем каждый с заданной температурой и соответственно давлением, которые контролируют с помощью манометров 4а и 4б, при этом емкости 2а и 2б подсоединены с помощью рукавов высокого давления через трехпозиционные вентили 5а и 5б к рабочему гидроцилиндру 7 и камере объемного сжатия 8, при этом давления на выходах генераторов давления 1а и 1б контролируют с помощью манометров 6а и 6б. Ячейка объемного сжатия, включающая рабочий гидроцилиндр 7 и камеру объемного сжатия 8, помещена в термостат 9. Рабочий гидроцилиндр 7 содержит поршень 10, соединенный с подвижным плунжером 11, который входит в камеру объемного сжатия 8, где между подвижным плунжером 11 и неподвижным плунжером 12 помещен исследуемый образец 13, на котором закреплен экстензометр 14 для измерения продольных деформаций и экстензометры 15а-15n - для измерения поперечных деформаций образца 13.

На фиг. 2 представлена схема более сложного варианта реализации заявляемого способа с расширенным диапазоном напряжений, создаваемых на образце за счет использования дополнительных мультипликаторов давления. Первичные генераторы давления 16а и 16б (генераторы полностью идентичны представленным генераторам 1а и 1б на фиг. 1 и условно не показаны) подключены к ячейке объемного сжатия 17 через рукава высокого давления с трехпозиционными вентилями 18а и 18б, при этом рабочий гидроцилиндр ячейки объемного сжатия 17 подключен к генератору давления 16а, величина давления в котором контролируется с помощью датчика 19а, а камера объемного сжатия ячейки объемного сжатия 17 подключена к генератору давления 16б, а величина давления в ней контролируется с помощью датчика 19б. В разрыв рукавов высокого давления включены мультипликаторы давления 20а и 20б, которые, в свою очередь, включают цилиндры с поршнями большего диаметра 21а и 21б, и меньшего диметров 22а и 22б, соединенные общими штоками 23а и 23б, линейные перемещения которых контролируются с помощью датчиков линейных перемещений 24а и 24б. Ячейка объемного сжатия 17 также включает рабочий гидроцилиндр 25, в который помещен поршень 26, соединенный с подвижным плунжером 27, который, в свою очередь, прикладывает осевое усилие на образец 28, помещенный в камеру объемного сжатия 29.

На фиг. 3 представлены диаграммы исследования реологических характеристик (ползучесть) образца, полученные на установке, представленной на фиг. 1, включающие:

- диаграмму 30, представленную на рис. 3а, показывающую температуру в термостате 9 от времени;

- диаграмму 31, представленную на рис. 3б, показывающую давление в рабочем гидроцилиндре 7 от времени;

- диаграмму 32, представленную на рис. 3в, показывающую продольные, поперечные и объемные деформации образца 13 от времени.

Диаграмма 30 представляет собой график 33 - «время-температура», состоящий из нескольких ступеней 33а и 33б, моделирующих изменение температуры в ходе эксперимента.

Диаграмма 31 представляет собой график 34 - «время-давление», также состоящий из нескольких ступеней 34а-34е, моделирующих изменение давления в рабочем гидроцилиндре 7 в ходе эксперимента, причем для каждой ступени изменения-температуры, соответствует собственный набор ступеней изменений давлений:

- в течение первой ступени - при температуре 33а последовательно проходят три ступени с изменением давления 34а-34в;

- в течение второй ступени - при температуре 33б последовательно проходят три ступени с изменением давления 34г-34е и т.д.

Диаграмма 32 включает:

- кривые 35 - «время-продольная деформация», состоящие из серии кривых 35а-35е;

- кривые 36 - «время-поперечная деформация», состоящие из серии кривых 36а-36е;

- кривые 37 - «время-объемная деформация», состоящие из серии кривых 37а-37е. Кривые 35а-35е, 36а-36е и 37а-37е соответствуют деформациям образца 13 при последовательно сменяющихся температурах и напряжениях.

Работу заявляемого способа рассмотрим с использованием установки, представленной на фиг. 1. Исследуемый образец 13 правильной цилиндрической формы помещают в камеру объемного сжатия 8 и зажимают между неподвижным нижним пуансоном 12 и подвижным верхним пуансоном 11, предварительно закрепив на нем экстензометр для измерения продольных деформаций 14 и экстензометры для измерения поперечных деформаций 15а-15в. Для создания объемного напряженного состояния образца задают величины давления в рабочем гидроцилиндре 7 и камере объемного сжатия 8, а также температуру в термостате 9. Величины давления в рабочем гидроцилиндре 7 и камере объемного сжатия 8 задают с помощью генераторов давления 1а и 1б, которые измеряют с помощью датчиков давления 4а, 6а и 4а, 6б соответственно. Управление величинами давления в генераторах давления 1а и 1б осуществляют с помощью изменения температуры термостатов 3а и 3б с задающими объемами 2а и 2б, заполненными веществом в состоянии двухфазного равновесия «жидкость-насыщенный пар». Абсолютные продольные и поперечные деформации образца 13, измеренные с помощью экстензометров 14 и 15а-15n, преобразуют в относительные деформации по формулам 1 и 2:

где ε₁абс и ε₃абс[k] - абсолютные продольные и поперечные (значения для [k]-ого экстензометра из N установленных) деформации, ε₁отн и ε₃отн - относительные продольные и поперечные деформации, L₀ и D₀ - длина и диаметр цилиндрического образца 13 в ненагруженном состоянии.

Относительная объемная деформация образца 13 измеряется методом вычисления объема образца с помощью формул 3-7:

где ε_Vабс и ε_Vотн - абсолютные и относительные объемные деформации образца 13, V₀ - объем цилиндрического образца 13 в исходном (ненагруженном) состоянии, D[k] - диаметры в плоскости [k]-ого датчика поперечных деформаций для образца в деформированном (нагруженном) состоянии, ΔН[k] - расстояния между плоскостями [k-1]-ого и [k]-ого экстензометров поперечных деформаций.

Управление нагружением образца 13 проводят в соответствии с диаграммами 30 и 31, на которых показана последовательная смена температуры в термостате 9 и давления в рабочем гидроцилиндре 7, при этом давление в камере объемного сжатия 8 остается фиксированным. В течение выделенных интервалов времени образец 13 оказывается при фиксированной температуре и в напряженном состоянии, что обуславливает стабилизацию скоростей деформации, которые изображены на диаграмме 32. Кривые 35, 36 и 37 показывают развертку по времени относительных продольных, поперечных и объемных деформаций образца 13. На каждом из участков кривых 35а-35е, 36а-36б, 37а-37е выделяют линейный участок (стационарная ползучесть), рассчитывают наклон кривой - производную относительной продольной, поперечной и объемной деформации по времени в соответствии с формулами 8-10, что и является скоростью деформации.

ε₁отн_нач и ε₁отн_кон - относительная продольная деформация образца в начальный и конечный моменты, ε₃отн_нач и ε₃отн_кон - относительная поперечная деформация образца в начальный и конечный моменты, ε_Vотн_нач и ε_Vотн_кон - относительная объемная деформация образца в начальный и конечный моменты, t_нач и t_кон - начальный и конечный моменты времени для выделенного линейного участка.

Полученные скорости деформации γ₁[i-j], γ₃[i-j] и γ_V[i-j] обрабатывают следующим образом:

где σ₁, σ₃ и τ - максимальное, минимальное и дифференциальное напряжения в образце 13, Р_К - давление в камере объемного сжатия 8, S₀ - площадь поперечного сечения образца 13.

Определяют неизвестные константы (C₁, Q₁, n₁), (С₃, Q₃, n₃) и (C_V, Q_V, n_V) методом множественной линейной регрессии.

C₁, Q₁, n₁ - набор реологических констант материала для продольных деформаций (при объемном нагружении), С₃, Q₃, n₃ - набор реологических констант материала для поперечных деформаций (при объемном нагружении), C_V, Q_V, n_V - набор реологических констант материала для объемных деформаций (при объемном нагружении), T[i] и τ[j] - температура (абсолютная) и дифференциальное напряжение, при которых были получены скорости деформаций.

На завершающей стадии нагружения образца стационарная ползучесть переходит в ускоренную и завершается разрушением образца, как это показано на кривых 35е, 36е и 37е в виде резкого рывка деформаций на диаграмме 32 в момент времени t_к. Полученное значение σ₁ на завершающем шаге нагружения σ₁=P_2-3⋅S_цил/S₀ будет пределом длительной прочности за время (t_к-t_2-3), см. шкалу времени (t) на диаграмме 30.

Рассмотрим работу заявляемого способа с использованием установки, представленной на фиг. 2. Этот вариант реализации способа отличается от предыдущего наличием мультипликаторов давления 20а и 20б, которые, в свою очередь, включают цилиндры с поршнями большего диаметра 21а и 21б и меньшего диметров 22а и 22б, соединенные общими штоками 23а и 23б, линейные перемещения которых контролируются с помощью датчиков линейных перемещений 24а и 24б. Отношение площади диаметра поршня к площади меньшего диаметра поршня представляет собой коэффициент умножения мультипликатора давления. Указанные мультипликаторы давления позволяют расширить диапазон напряжений, создаваемых на образце 28, а также более точно измерять объемные деформации образца 28 по измерению объема гидравлической жидкости камеры объемного сжатия 29.

Объемные деформации испытуемого образца 28 в камере объемного сжатия 29 вычисляют посредством измерения линейных перемещений штоков мультипликаторов давления 20а и 20б, включенных между генераторами давления 16а и 16б посредством датчиков линейных перемещений 24а и 24б, в соответствии с формулами 18-20

где ΔL₁ и ΔL₂ - линейные перемещения штоков 23а и 23б мультипликаторов 20а и 20б, S_мульт1 и S_мульт2 - площади поршней меньшего диаметра 22а и 22б мультипликаторов давления 20а и 20б, S_пл и S_цил - площади подвижного верхнего плунжера 27 и поршня 26 рабочего гидроцилиндра 25.

Для проверки заявляемого способа в реальных условиях была создана макетная установка, включающая два генератора давления и ячейку объемного сжатия собственного производства, помещенную в промышленный термостат. Каждый генератор давления включает задающий объем (емкость) на 5 литров, заполненный рабочим телом - углекислым газом, который помещен в свой термостат и подключен к пневмогидравлическому мультипликатору давления с коэффициентом умножения 2.5. Термостаты генераторов давления позволяют стабилизировать температуру в диапазоне 0-50°С. Линейные перемещения штоков мультипликаторов давления контролировались с помощью датчиков линейных перемещений типа LVD CDM375-500 производства «ТЕ Connectivity» (Швейцария), а запорно-регулирующая арматура и соединения (фитинги), используемые в макетной установке, производства «Graylock Technology» (США).

Ячейка объемного сжатия представляет собой цилиндрическую камеру высокого давления с рабочим гидроцилиндром собственного производства, которая позволяет:

- развивать обжимное давление в диапазоне 0-50 МПа;

- осевое усилие в диапазоне 0-90 МПа;

- поддерживать температуру в диапазоне 15-75°С.

Камера высокого давления имеет два пуансона, причем нижний соединен с нижним фланцем камеры и является неподвижным, а верхний соединен с поршнем рабочего гидроцилиндра. Между неподвижным нижним и подвижным верхним пуансонами был помещен исследуемый образец диаметром 100 мм (камера высокого давления позволяет работать с образцами в диапазоне 90-100 мм) и длиной 180 мм (камера высокого давления позволяет работать с образцами в диапазоне 180-200 мм). На образце закреплен экстензометр для измерения продольных деформаций, который включает две скобки, обхватывающие образец по окружности соответственно у верхнего и нижнего торцов, в свою очередь к нижней скобке присоединены два датчика (на диаметрально противоположных сторонах образца) линейного перемещения типа LVDT CD375-100 производства «ТЕ Connectivity» (Швейцария), а к верхней скобке - два штока, заканчивающихся сердечниками датчиков LVDT. На образец закреплен экстензометр для измерения поперечных деформаций, который состоит из роликовой цепочки, охватывающей образец по окружности, причем на одном конце цепочки размещается захват с датчиком линейных перемещений типа LVDT CD375-050 производства «ТЕ Connectivity» (Швейцария), а на другом конце - захват со штоком, заканчивающимся сердечником этого LVDT. Каждый датчик линейного перемещения подключен к своему кондиционеру LVC-4000 производства «ТЕ Connectivity)» (Швейцария). На образце закреплен температурный датчик (термосопротивление) Pt100 с помощью скобы. Давления в задающих объемах, камере объемного сжатия и рабочем гидроцилиндре контролировались с помощью четырех датчиков избыточного давления 415М-ДИ производства «Пьезоэлектрик» (Россия), с верхним пределом измерения (ВПИ) 60 МПа и абсолютной приведенной погрешностью ±0.1% от ВПИ, оснащенные интерфейсом RS-485. За преобразование интерфейса RS-485 к UBS-порту (для подключения к компьютеру) отвечал АС4 производства «Овен» (Россия). Аналоговые датчики были подключены к (аналогово-цифровому преобразователю) АЦП Z-8AI производства «Seneca» (Италия). За контроль термостатами отвечали многоканальные (пропорционально-интегрально-дифференцирующие) ПИД-регуляторы ТРМ212 производства «Овен» (Россия).

В течение длительного времени (28 суток) обеспечивалось поддержание заданных давлений в камере высокого давления и в рабочем гидроцилиндре с точностью не хуже ±1 атм (или ±0.5%), а поддержание температуры с точностью не хуже ±0.5°С.

Нами были протестированы 11 полноразмерных образцов каменных солей (галитов) диаметром 100 мм, отобранных при разведочном бурении нефтегазовой скважины с глубин 1200 метров - 3 образца, 1700 метров - 4 образца, и 2800 метров - 4 образца. В ходе экспериментов были измерены скорости стационарной продольной, поперечной и объемной деформации в диапазоне дифференциальных напряжений 12-33 МПа и температур 15-50°С, при минимальном напряжении (давление в камере высокого давления) σ₃=17 МПа. Полученные значения скоростей деформации находились в диапазоне:

- 10^-9-10^-6 сек^-1 для продольной деформации;

-5⋅10^-10-5⋅10^-5 сек^-1 для поперечной деформации;

- 10^-10-10^-5 сек^-1 для объемной деформации.

Указанные скорости деформации были измерены с точностью не хуже ±5%.

При интерпретации полученных скоростей деформации были получены следующие константы для продольной деформации: C₁=3.05⋅10¹⁸ сек^-1, n₁=6.0, Q₁=61 кДж/моль, что соответствует литературным данным по константам ползучести для продольной деформации (см. Wawersik, W.R., Zeuch, D.H., 1986. Modeling and mechanistic interpretation of creep of rock salt below 200 C. Tectonophysics 121, 125-152).

Также были получены константы для поперечной деформации: С₃=1.55⋅10¹⁸ сек^-1, n₃=5.5, Q₃=56 кДж/моль и объемной деформации: C_V=5.54⋅10¹⁷ сек^-1, n_V=5.8, Q_V=59 кДж/моль.

Различия полученных констант с литературными данными находятся в пределах 5-10%, наилучшая сходимость достигается для констант Q и n, поскольку эти константы являются специфичными для вещества, а различия констант С, объясняется вариабельностью микроскопического строения каменных солей и наличием внутренних дефектов (микротрещин, дислокаций и т.д.).

Таким образом, эксперименты на макетной установке полностью подтвердили возможности заявляемого технического решения создавать в исследуемом образце требуемые объемное напряженное состояние и температуру, которые соответствуют естественным условиям в околоскважинном пространстве, обеспечивая при этом необходимую точность измерения скоростей продольных, поперечных и объемных деформаций образца во всем требуемом диапазоне.

Изобретение относится к области испытания материалов, а именно к испытаниям материалов (горных пород, строительных материалов и т.д.) на ползучесть и длительную прочность при заданных уровнях напряжений и температур. Способ определения реологических характеристик и длительной прочности материала включает изготовление образца правильной цилиндрической формы, приложение к образцу главного напряжения вдоль его продольной оси и независимого дополнительного напряжения по нормали к боковой поверхности цилиндра путем его помещения в камеру объемного сжатия, заполненную жидкостью под давлением, где затем производят нагрев образца до заданного значения температуры, после чего регистрируют продольную и поперечную деформации образца в течение определенного времени. Новым является то, что образец нагревают пошагово до заданных значений температуры, при этом на каждом шаге изменения температуры независимо варьируют главным и дополнительным напряжениями на образец, причем с каждым шагом изменения напряжений на образце одновременно регистрируют его объемные деформации, а периодическую стабилизацию напряжений на образце осуществляют также пошагово в течение определенных интервалов времени с использованием подключенного к камере объемного сжатия внешнего стабильного источника давления на основе вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, помещенного в емкость со стабилизированной температурой, при этом интервалы времени стабилизации давления выбирают необходимыми для достижения постоянной скорости деформации образца или для наступления его разрушения. Технический результат - проведение измерений объемных деформаций образца и длительной прочности материала, в описании техники создания и поддержания главных напряжений на образце с точностью необходимой для измерения скоростей деформации образца во всем требуемом диапазоне природных скоростей деформации, а также в выполнении последовательной смены условий (температуры и напряженного состояния), при которых находится образец, отражающих динамику процесса его деформирования вплоть до разрушения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения реологических характеристик и длительной прочности материала, включающий изготовление образца правильной цилиндрической формы, приложение к образцу главного напряжения вдоль его продольной оси и независимого дополнительного напряжения по нормали к боковой поверхности цилиндра путем его помещения в камеру объемного сжатия, заполненную жидкостью под давлением, где затем производят нагрев образца до заданного значения температуры, после чего регистрируют продольную и поперечную деформации образца в течение определенного времени, отличающийся тем, что образец нагревают пошагово до заданных значений температуры, при этом на каждом шаге изменения температуры независимо варьируют главным и дополнительным напряжениями на образец, причем с каждым шагом изменения напряжений на образце одновременно регистрируют его объемные деформации, а периодическую стабилизацию напряжений на образце осуществляют также пошагово в течение определенных интервалов времени с использованием подключенного к камере объемного сжатия внешнего стабильного источника давления на основе вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, помещенного в емкость со стабилизированной температурой, при этом интервалы времени стабилизации давления выбирают необходимыми для достижения постоянной скорости деформации образца или для наступления его разрушения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, используют углекислый газ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, используют воду.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества, находящегося в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, используют бутан.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкость с веществом, находящимся в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, подключают к камере объемного сжатия через мультипликатор давления с коэффициентом умножения 1-10 при использовании углекислого газа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкость с веществом, находящимся в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, подключают к камере объемного сжатия через мультипликатор давления с коэффициентом умножения 10-30 при использовании воды.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкость с веществом, находящимся в состоянии равновесия жидкости и насыщенного пара, подключают к камере объемного сжатия через мультипликатор давления с коэффициентом умножения 5-15 при использовании бутана.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию объемных деформаций образца выполняют путем измерения изменения объема жидкости, заполняющей камеру объемного сжатия с образцом.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию объемных деформаций образца выполняют путем измерения произошедших совокупно продольных и поперечных в нескольких плоскостях деформаций образца.