Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики

В области решения задач инженерной геологии современной нефтедобывающей промышленности часто приходится строить геомеханические модели, использование которых позволяет повышать эффективность разработки или эксплуатации исследуемых объектов. Одними из входных параметров таких моделей являются статические упругие модули горных пород. Представлены результаты исследований физико-механических свойств образцов горных пород — известняков неметаморфического диагенеза. Проведены прецизионные измерения скоростей продольных и сдвиговых упругих волн с погрешностью 0,2% на основе лазерно-ультразвуковой диагностики. По данным скоростям рассчитаны динамические модули упругости. Для определения статических модулей упругости выполнена серия экспериментов по ГОСТ 21153.2-84 и ГОСТ 28985-91 на одноосное сжатие образцов горных пород и для определения деформационных характеристик соответственно. Установлена корреляционная зависимость между статическим и динамическим модулем упругости для образцов известняка. Найденная взаимосвязь между статическими и динамическими модулями упругости известняка позволила сделать вывод о том, что статический модуль упругости можно оценивать с помощью неразрушающих методов исследования, что существенно упрощает предварительный этап диагностики образцов при ограниченном количестве проб керна.

Ключевые слова: керн, известняк, лазерно-ультразвуковая диагностика, статический модуль упругости, динамический модуль упругости, корреляционная зависимость.
Как процитировать:

Шибаев И. А., Винников В. А., Степанов Г. Д. Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 7. – С. 125–134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125-134.

Благодарности:

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90063.

Номер: 7
Год: 2020
Номера страниц: 125-134
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.023.25:539.32+620.179.16
DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125-134
Дата поступления: 13.03.2020
Дата получения рецензии: 08.04.2020
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 20.06.2020
Информация об авторах:

Шибаев Иван Александрович1 — аспирант, e-mail: mrdfyz@mail.ru,
Винников Владимир Александрович1 — д-р физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой, e-mail: evgeny.vinnikov@gmail.com,
Степанов Георгий Дмитриевич1 — студент, e-mail: georgest0503@yandex.ru,
1 НИТУ «МИСиС».

 

Контактное лицо:

Винников В.А., e-mail: evgeny.vinnikov@gmail.com.

Список литературы:

1. Canady W. J. A method for full-range Young's Modulus correction // Paper SPE 143604, presented at the SPE North American Unconventional Gas Conference and Exhibition held in The Woodlands, Texas, USA. 14—16 June 2011.

2. Морозов В. Н., Маневич А. И., Татаринов В. Н. Моделирование напряженного состояния и геодинамическое районирование сейсмически активных регионов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 8. — С. 123–132. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-123-132.

3. Sas I. E., Morozov D. V., Morozov N. A. On calculation of the bearing capacity of self-opening ground anchors using PLAXIS 2D software package / Durability of Critical Infrastructure, Monitoring and Testing. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Singapore, 2017. Pp. 104—109. DOI: 10.1007/978-981-10-3247-9_12.

4. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения пределапрочности при одноосном сжатии. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. — 8 с.

5. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. — 11 с.

6. Усольцева О. М., Цой П. А., Семенов В. Н. Влияние структуры слоистых горных пород и геоматериалов на деформационно-прочностные свойства при растяжении и объемном сжатии // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2016. — Т. 2. — № 4. — С. 48—53.

7. Saenger E. H., Kruger O. S., Shapiro S. A. Effective elastic properties of fractured rocks: dynamic vs. static considerations // International Journal of Fracture. 2006. Vol. 139. No 3. Pp. 569–576.

8. Christaras B., Auger F., Mosse E. Determination of the moduli of elasticity of rocks. Comparison of the ultrasonic velocity and mechanical resonance frequency methods with direct static methods // Materials and Structures. 1994. Vol. 27. No 4. Pp. 222—228.

9. Фролова Ю. В., Патрушева Н. А. Сравнительный анализ статического и динамического модулей упругости гранитов и гнейсов Алданского щита / Сергеевские чтения. Инженерная геология и геоэкология. Фундаментальные проблемы и прикладные задачи. — М.: РУДН, 2016. — С. 100—105.

10. King M. S., Static and dynamic elastic properties of rocks from the Canadian shield // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1983. Vol. 20. No 5. Pp. 237—241.

11. Свод правил по инженерным изысканиям для строительства СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. VI. Правила производства геофизических исследований. 2004.

12. Shibaev I. A., Cherepetskaya E. B., Bychkov A. S., Zarubin V. P., Ivanov P. N. Evaluation of the internal structure of dolerite specimens using X-ray and laser ultrasonic tomography // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2018. Vol. 9. No 9. Pp. 84—92.

13. Cherepetskaya E. B., Karabutov A.A., Makarov V. A., Mironova E. A., Shibaev I. A., Vysotin N. G., Morozov D. V. Internal structure research of shungite by broadband ultrasonic spectroscopy // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 755. Pp. 242—247.

14. Kravcov A.A., Konvalinka A., Vinnikov V. A., Shibaev I. A., Ivanov P. N. On the issue of typical grain size assessment by the methods of broadband laser opto-acoustics // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 755. Pp. 212—218.

15. Zarubin V. P., Bychkov A. S., Simonova V. A., Zhigarkov V. S., Karabutov A.A., Cherepetskaya E. B. A refraction-corrected tomographic algorithm for immersion laser ultrasonic imaging of solids with piecewise linear surface profile // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 112. No 21. Article 214102.

16. Bychkov A. S., Zarubin V. P., Karabutov A.A., Simonova V. A., Cherepetskaya E. B. On the use of an optoacoustic and laser ultrasonic imaging system for assessing peripheral intravenous access // Photoacoustics. 2017. Vol. 5. Pp. 10—16. DOI: 10.1016/j.pacs.2017.01.002.

17. Karabutov A.A., Podymova N. B., Cherepetskaya E. B. Measuring the dependence of the local Young's modulus on the porosity of isotropic composite materials by a pulsed acoustic method using a laser source of ultrasound // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2013. Vol. 54. No 3. Pp. 500—507.

18. Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Karabutov A.A., Makarov V. A. Laser optoacoustic tomography for the study of femtosecond laser filaments in air // Laser Physics Letters. 2016. Vol. 13. No 8. Article 085401.

19. Kravcov A., Shibaev I. A., Blokhin, D.I., Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Krapivnoi M. M., Zarubin V. P. Examination of structural members of aerial vehicles by laser ultrasonic structuroscopy // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2018. Vol. 9. No 11. Pp. 2258—2265.

20. Bychkov A. S., Simonova V. A., Zarubin V. P., Cherepetskaya E. B., Karabutov A.A. The progress in photoacoustic and laser ultrasonic tomographic imaging for biomedicine and industry. A review // Applied Sciences (Switzerland). 2018. Vol. 8. No 10. Article 1931.

21. Черепецкая Е. Б., Иньков В. Н. Экспериментальное исследование нелинейного искажения формы мощных ультразвуковых импульсов при распространении их в горных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005. — № 3. — С. 41—44.

22. Martınez-Martınez J., Benavente D., Garcıa-del-Cura M. A. Comparison of the static and dynamic elastic modulus in carbonate rocks // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2012. Vol. 71. No 2. Pp. 263—268.

23. Кравцов А., Иванов П. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б., Гапеев А. А., Исследование микроструктуры углей Печорского бассейна методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 6. — С. 56—65. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-06-0-56-65.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.