Stabilitatea formațiunilor geologice traversate de sonde

Mecanica rocilor și stabilitatea pereților sondei. Considerații

Acest articol e numărul 4 din totalul de 12 articole ale seriei Stabilitatea rocilor

Hits: 77

Explicația fundamentală a caracterului de rezistență a unui corp constă în existența forțelor de atracție dintre particulele sale.

Considerații

Dezvoltarea fizica solidelor a înregistrat succese notabile, dar concluziile acestora nu au oferit o bază pentru efectuarea de calcule practice de rezistența materialelor. Proprietatea corpurilor solide de a se opune acțiunilor mecanice exterioare este de zeci și sute de ori mai mică decât valoarea teoretică a forțelor de atracție dintre atomi. Cauzele acestei discrepanțe ar fi următoarele: neomogenitatea fizico-mecanică a materialelor reale, defectele și golurile din structura lor.

Mecanica corpurilor deformabile pune șa baza cercetărilor ei o ipoteză de lucru convențională cu privire la continuitatea corpurilor, oferind astfel posibilitatea aplicării analizei infinitezimale. Studierea unui mediu continuu, compact, altfel spus folosirea funcțiilor continue, este mult mai ușoară și simplă în practică, decât studierea unui ansamblu de particule discrete, separate, ale corpului.

Metodele statistice de studiere a unui material (vezi mecanica statistică), deși nu mai sunt chiar la început, oferă ipoteze de lucru cu privire la continuitatea corpurilor, permit unor rezultate ce aproximează destul de bine comportarea materialelor reale sub acțiunea forțelor exterioare. Totuși, pentru explicarea schimbărilor proprietăților mecanice ale unor materiale (atenție, metalele și aliajele presupun tratamente chimice!) este necesar să se recurgă la termodinamică. Astfel, indirect, discontinuitatea corpurilor intră în cadrul mecanicii corpurilor deformabile.

Între timp, s-a născut un nou domeniu, cel legat de schimbarea structurii microscopice a materialelor , atunci când sunt supuse unor stări de tensiune triaxială mari și intense (a se vedea Notații și note necesare). Astfel de schimbări apar mai ales în cazul rocilor, având ca efect modificarea proprietăților mecanice, macroscopice ale acestora, în condiții de compresiune triaxială. În aceste condiții, teoria tehnică (aplicabilă) a mecanicii mediilor deformabile ce operează, ipotetic vorbind, într-un mediu continuu, idealizat, nediferențiat din punctul de vedere al structurii macroscopice și al variațiilor, pe de o parte deformează mult realitatea, iar pe de alta, se află în imposibilitatea explicării variațiilor macroscopice ale proprietăților mecanice funcție de variația stărilor de tensiune triaxială. În aceste condiții, explicațiile au doar un caracter calitativ.

Schimbarea de optică ar fi aceea în care se poate depăși aplicarea explicațiilor mecaniciste la scară microscopică, ceea ce ar conduce la găsirea cauzei unice, a efectului unic, mizându-se mai mult pe aplicarea statisticii matematice și a teoriei probabilităților. Cele prezentate în continuare încearcă să facă acest pas.

Structura rocilor

Ce sunt rocile:
Rocile sunt asociații de grăunți minerali legați între ei direct, sau prin intermediul unui ciment de legătură sau a unor pelicule coloidale. Cristalele ce formează grăunții nu au, de regulă, o formă geometrică perfectă, deoarece ele s-au format în condiții de concreștere dificile.

Din punct de vedere al omogenității naturii constituenților, rocile sunt asemănătoare unor aliaje, similare fontelor cenușii ce sunt alcătuite din zone de perlită, ferită și zone de cărbune grafitizat. Unul dintre constituenții rocilor poate fi considerat a fi ansamblul grăunților minerali, iar al doilea, cimentul de legătură, sau peliculele coloidale.

Iată o comparație interesantă: rocile și fonta. Fonta are proprietăți mecanice mult inferioare oțelului și în care grafitul e considerat a forma „goluri” (microscopice). Astfel fonta putând fi astfel considerată – datorită numărului mare de defecte interne –, drept un oțel defect. Adoptând acest punct de vedere, se pot aprecia corect proprietățile fontei. În cazul rocilor, „golurile” sunt de cele mai multe ori o realitate, și vorbim aici nu doar de cele microscopice. Acest fapt, le conferă o porozitate ridicată. Chiar și când golurile macroscopice lipsesc, cele microscopice sunt totuși suficient de multe, pentru a face incomparabilă porozitatea unei roci cu porozitatea fontelor.

Supunerea rocilor la diversele stări de tensiune ce ating valori limită, proceselor de alunecare și altora ce-au avut loc de-a lungul timpului geologic a avut ca efect apariția și dezvoltarea de micro și macro-fisuri similare celor din metale și aliaje, cu deosebirea că, în cazul rocilor, ele sunt mult favorizate de existența porozității ridicate.

Rezistența opusă de roci acțiunilor forțelor exterioare va fi condiționată de structura lor și de forțele interioare, cele care se opun deformărilor induse de forțele exterioare.

Forțele interioare pot fi, pe de o parte, condiționate de coeziunea rocilor, iar pe de altă parte de natura mecanică. Forțele de coeziune, având în vedere neomogenitatea ridicată a rocilor, vor varia în funcție de poziția punctului în care se încearcă determinarea lor. Forțele interne de natură mecanică pot fi puse în evidență, mai ales în cazul rocilor neconsolidate (precum nisipurile); ele sunt de natura unor frecări ce apar și la contactul corpurilor macroscopice în procesul de deplasare a unora față de altele, de-a lungul suprafețelor de contact.

Mențiune:
La rocile în care acționează forțe interne de coeziune, se manifestă și forțe de frecare interioară. De asemenea, la rocile neconsolidate se manifestă, ce-i drept într-o extrem de mică măsură, practic neglijabilă, și forțe de coeziune.

Comportarea rocilor la stări de tensiune triaxială

Ceea ce e de urmărit este aspectul macroscopic al comportării rocilor la stările de tensiune triaxială.

Dacă se supun diversele roci la compresiuni triaxiale neuniforme, caracterizate prin deviatorul tensiunilor \sigma_1 -\sigma_3, se obțin diverse curbe caracteristice, \sigma_1 -\sigma_3 = f(\epsilon_1).

La trasarea acestor curbe, se folosesc instalații în care se reproduce de obicei starea de tensiune triaxială caracterizată prin \sigma_1 > \sigma_2 = \sigma_3. În cadrul acestor experimente, se realizează posibilitatea scurtării pe direcția efortului unitar principal maxim, \sigma_1, și a alungirii pe direcția efortului unitar principal minim, \sigma_2 = \sigma_3. Deci, deplasarea laterală nu este împiedicată. Probele au de obicei formă cilindrică.

Din analiza unor astfel de curbe pentru diverse roci, rezultă că pe măsură ce crește valoarea compresiunii laterale, \sigma_2 = \sigma_3,, pentru una și aceeași rocă, rezistența la rupere crește.

Mențiune:
Notăm că în cazul rocilor supuse la compresiune triaxială, rezistența la rupere se definește ca valoarea deviatorului la care \epsilon_1=5%.

De asemenea, odată cu creșterea compresiunii laterale \sigma_2 = \sigma_3, proprietățile plastice ale rocilor se îmbunătățesc. E o concluzie trasă nu doar pe baza aspectului curbei caracteristice \sigma_1 -\sigma_3 = f(\epsilon_1), ci și din analiza macroscopică a eșantioanelor de roci cărora li s-au ridicat curbele caracteristice la compresiune laterală variabilă. Odată cu creșterea compresiunii laterale \sigma_2 = \sigma_3, preponderența fenomenului de alunecare și maclare se accentuează, în detrimentul apariției micro și macro-fisurilor.

Noțiunea de „stare limită” a unui material

Starea limită:
În mecanica mediilor deformabile, este considerată acea stare de tensiuni la care apare un proces fizic care, dintr-un motiv oarecare, este considerat inadmisibil.

Se impune o delimitare precisă a problemei de determinare a începutului curgerii (teoria apariției curgerii) de problema de determinare a începerii ruperii (vezi teoria rezistenței).

Caracteristic unei stări de tensiuni, în afară de mărimea ei, se va lua în considerare și intensitatea. Aceasta s-a introdus din nevoia comparării diverselor stări de tensiuni din punct de vedere al gradului lor de periculozitate. Așadar, intensitatea stării de tensiune joacă rolul unui criteriu de echivalență. Deoarece încercările materialelor la stări de tensiune monoaxială sunt cel mai simplu de realizat, se alege de obicei drept rezistență echivalentă intensitatea stării de tensiune monoaxială ce corespunde lui \sigma_{LCOM} sau \sigma_{LTR}. Cu aceste caracteristici ale materialului se compară apoi intensitatea unor stări de tensiune complexe. Evident, criteriul de echivalență bazat pe noțiunea de intensitate a stării de tensiune nu poate oglindi varietatea comportării materialului la diferite stări de tensiune. De aceea, în calcule, trebuie să se țină seama de limitele de valabilitate ale ipotezelor aflate la baza determinării intensității stărilor de tensiune complexă.


Facem din nou o pauză. Și îmi pun în continuare întrebarea dacă acest material merită continuare…

Deplasare prin serie<< Notații și note necesareTeorii ale stabilității stărilor de tensiune limită >>

Eh, cum trecut-au anii... După ce în 1984 am absolvit IPG-ul din Ploiești, următorii patru ani am trecut prin Șantierele de foraj ale Schelei de Foraj Tg. Ocna, din zona Matca-Buciumeni a județului Galați. Apoi, anul 1988 mi-a adus (cu eforturi) un transfer la Mediaș, ca proiectant de foraj al sondelor, în cadrul a ceea ce se numea atunci “Centrul de Cercetare și Proiectare”, care ținea pe vremea aceea de Institutul de la Câmpina. Apoi, lucrurile au luat altă turnură, după anii ‘90, când centrul a trecut sub tutela Romgaz-ului... Ulterior, activitatea de proiectare foraj și ingineria de zăcământ a rămas la Romgaz, iar activitatea de proiectare conducte și altele a trecut la Transgaz. Iar eu am rămas devotat activității de proiectare a forajului sondelor, activitate care iată, cel puțin formal, se apropie de final... Dar pentru că forajul sondelor este un domeniu pasionant, și pentru că scopul unui om în viață ar trebui să fie acela de a evita plictiseala, cred că voi mai rămâne un pic în acest domeniu. Chiar cred că aș avea câte ceva de transmis celor ce vin din urmă... Și pentru că în ultima perioadă am descoperit validitatea filosofiei stoice, nu voi evita subiecte asociate. Ca să nu mai vorbim de faptul că printre alte subiecte pe care le consider de interes se numără evenimentele de tip „lebădă neagră” (cu probabilitate mică de apariție, dar cu impact major), sau problematica automatelor celulare...

Lasă un comentariu