Физика пласта. Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине Физика пласта
 Скачать 2.25 Mb.
|
66. Что такое паспорт прочности горной породы? Паспорт прочности горных пород – это огибающая наибольших кругов напряжений, которые испытывает порода на пределе прочности. Она строится для количественной и качественной оценки поведения горных пород при различных видах напряженного состояния. 67. Какие теории прочности вы знаете? В качестве первого критерия прочности, называемого обычно первой теорией прочности, был принят критерий наибольших нормальных напряжений, в соответствии с которым причиной разрушения материала считались наибольшее (из трех главных) нормальное напряжение. Согласно этому критерию, разрушение материала при сложном напряженном состоянии, как и при простом растяжении-сжатии, наступает от действия всего лишь одного напряжения σmax, при этом действие двух других напряжений не учитывается.  Таким образом, эквивалентные напряжения для пластичного материала будут равны наибольшему по модулю главному напряжению:  а условие прочности запишется следующим образом:  Обратим внимание, что эквивалентные напряжения всегда положительная величина. Данная теория прочности в настоящее время практически не используется, так как она подтверждается экспериментами лишь для некоторых очень хрупких материалов (камень, кирпич, керамика и т. п.). Согласно второй теории прочности, в качестве критерия прочности принимают наибольшую по абсолютной величине линейную деформацию. Предполагается, что нарушение прочности в общем случае напряженного состояния наступает, когда наибольшая линейная деформация достигает своего допускаемого значения, то есть  При этом допускаемая деформация материала определяется при простом растяжении-сжатии.  Используя обобщенный закон Гука, запишем данное условие прочности в напряжениях. Пусть наибольшее относительное удлинение будет равно ε1, тогда  Допускаемые деформации при растяжении-сжатии связаны с допускаемыми напряжениями также по закону Гука:  Таким образом, условие прочности можем записать в виде:  Эквивалентное напряжение в этом случае  а, окончательно, условие прочности:  Данная теория также в настоящее время редко применяется в инженерной практике, так как находит экспериментальное подтверждение лишь для некоторых хрупких материалов (легированный чугун, высокопрочная сталь). Критерий наибольших касательных напряжений. Здесь в качестве критерия прочности принята величина наибольшего касательного напряжения. Согласно этой теории, предполагается, что предельное состояние материала наступает, когда наибольшее касательное напряжение достигает своего допускаемого значения, которое определяется из опытов на растяжение-сжатие. В этом случае условие прочности принимает вид:   Максимальные касательные напряжения при объемном напряженном состоянии определяются как  тогда допускаемые касательные напряжения, определяемые при простом растяжении, можно найти следующим образом:  Таким образом, окончательно, условие прочности по III теории прочности запишем в виде:  где эквивалентное напряжение  Третья теория прочности хорошо подтверждается опытами для материалов, одинаково работающих на растяжение и сжатие. Недостаток ее заключается в том, что она не учитывает среднего по величине главного напряжения σ2, которое, как показывают эксперименты, также оказывает, хотя и не значительное, влияние на прочность материалов. Критерий удельной потенциальной энергии формоизменения. В качестве критерия прочности в этом случае принимают количество удельной потенциальной энергии формоизменения, накопленной деформированным элементом. Согласно этой теории, опасное состояние наступает тогда, когда удельная потенциальная энергия формоизменения достигает своего предельного значения, которое определяется из опытов на простое растяжение-сжатие. Здесь условие прочности можно записать так:   Запишем удельную потенциальную энергию формоизменения через главные напряжения при объемном напряженном состоянии  откуда при растяжении-сжатии  Отсюда, условие прочности, записанное через нормальные напряжения, примет вид  при этом эквивалентные напряжения будем определять по формуле:  Опыты хорошо подтверждают четвертую теорию для пластичных материалов, одинаково работающих на растяжение и сжатие. При этом четвертая теория более точно, чем третья, описывает появление в материале малых пластических деформаций. По сути дела, эти две теории более правильно называть теориями пластичности. Кинетическая теория прочности. Предпосылкой для формирования кинетической концепции разрушения послужили не только общетеоретические соображения, а также работы по изучению деформационных свойств (ползучести) и экспериментальные данные о временной и температурной зависимости прочности твердых тел. Сторонники сохранения представлений о критическом характере разрыва для объяснения временной зависимости прочности вводили допущения о наличии предшествующих или сопутствующих разрушению процессов, благодаря которым прочность становится зависящей от времени действия нагрузки. Прямыми и косвенными исследованиями процессов, сопровождающих деформирование и разрушение, С.Н. Журковым с сотрудниками было показано, что для широкого диапазона напряжений в различных условиях эксперимента долговечность t в зависимости от растягивающего напряжения и температуры Т в координатах  остаётся линейной (рисунок4.6). Опытами в глубоком вакууме было доказано, что временная зависимость прочности сохраняется.Аналитическая обработка экспериментальных данных привела к универсальному выражению:  ,гдеТ абсолютная температура; k постоянная Больцмана; U0, t0 постоянные коэффициенты. Пропорциональность долговечности множителю  указывает на термофлуктуационную природу процесса разрушения, что подтверждается сходством выражения (4.48) с выражением для среднего времени t0 между двумя последовательными флуктуациями, придающими данному атому кинетическую энергию Eфл: где  средний период тепловых колебаний атомов в конденсированных телах, при этом принимается, что  .Таким образом, считается, что процесс разрушения заключается в последовательности элементарных актов разрывов межатомных связей. Роль внешней силы сводится к понижению начального энергетического барьера U0 и к созданию направленности процесса разрушения, при котором число диссоциирующих связей превышает число ассоциирующих. 68. Какая теория прочности была предложена раньше всех (дать ей характеристику)? Теория наибольших нормальных напряжений. В основе этой теории прочности, высказанной еще Галилеем, лежит предположение, что материал разрушается от наибольших нормальных напряжений. Иначе говоря, независимо от характера напряженного состояния разрушение материала происходит тогда, когда нормальное напряжение в каком-либо направлении достигает величины напряжения, при котором происходит разрушение. Напряжения 2 и 3 меньшие, чем 1 в этой теории прочности не принимаются во внимание. Для материалов, работающих одинаково на растяжение и сжатие, условием прочности будет  Для материалов, у которых допускаемое напряжение на сжатие []сж= []р проверка прочности должна производиться и на растяжение, и на сжатие. Если, например, 1 0, 2 0, а 3 0, то условиями прочности будут:  где р и сж соответственно допускаемые напряжения на растяжение и на сжатие. Первая теория прочности была предложена ранее других; в период ее создания строительными материалами были главным образом хрупкие материалы (чугун, камень и т.п.). Наблюдение за их разрушением навело создателей этой теории на мысль, что причиной разрушения всех материалов являются наибольшие нормальные напряжения. Эта теория дает достаточно удовлетворительные иногда результаты только при расчете деталей из очень хрупких материалов. Начало разрушения пластических материалов, т.е. появление в них текучести вследствие больших касательных напряжений, этой теорией не объясняется. 69. Дать характеристику теории прочности Мора. Основные положения теории прочности Мора заключаются в следующем: 1) пластическая деформация (разрушение) происходит путем сдвига по площадкам скольжения; 2) сдвигу по площадке скольжения препятствует сцепление и трение; 3) прочность (пластичность) материала определяется только максимальными и минимальными главными напряжениями (σ1 и σ3), среднее по величине главное напряжение (σ2) оказывает слабое влияние на прочность. Линейный критерий прочности Кулона – Мора: τс = С + σпtgφ , где С – сцепление, φ – угол внутреннего трения. Графическое изображение этого уравнения представляет собой прямолинейный паспорт прочности горных пород – это огибающая наибольших кругов напряжений, которые испытывает порода на пределе прочности. Условие прочности в главных напряжениях: σ1 = σсж + βσ3 , где β – параметр объемной прочности,  .70. Что такое коэффициент упругоемкости пласта? Характеризует упругие свойства скелета и насыщающей его пластовой жидкости. Показатель, учитывающий упругое расширение жидкости в г. п. и уменьшение объема пор вследствие упругости пласта; характеризует упругий запас пластовой системы (кол-во жидкости, выделившееся из пласта в результате освобождения упругих сил пласта и жидкости). β* = mβж + βc , где m – коэффициент пористости; βж – коэффициент сжимаемости пластовой жидкости, Па-1. 71. Упругие волны каких частот используют в промысловой практике? В промысловой практике приходится встречаться с упругими волнами различной частоты: более 20 000 Гц — ультразвуковые, от 20 до 20 000 Гц — звуковые, до 20 Гц — инфразвуковые. Сейсмические волны низкой частоты появляются при взрывных работах в скважинах. 72. Какие типы объемных волн выделяют в зависимости от вида упругих деформаций породы? Продольные (Р-волны) – распространение попеременного объемного сжатия и растяжения в среде; возмущения ориентированы вдоль направления ее распространения. Поперечные (S-волны) - распространение упругих деформаций сдвига.   С ростом модуля Юнга увеличиваются скорости как продольных, так и поперечных волн. Возрастание коэффициента Пуассона приводит к увеличению скорости продольной волны и уменьшению скорости поперечной волны. Скорость поперечной волны уменьшается: При увеличении плотности насыщающей породу жидкости Если тип цементации породы контактный, так как поры остаются свободными от цементирующего материала. Скорость продольной волны уменьшается: При увеличении плотности насыщающего флюида При заполнении межзернового пространства, поскольку при этом увеличивается число контактов Рыхлые породы практически не оказывают сопротивления сдвиговым усилиям, поэтому в них могут распространятся в основном продольные волны. Чем больше нарушенность массива пород (трещиноватость, слоистость), то есть чем больше он приближается к рыхлому состоянию, тем меньше скорость поперечных волн и тем больше их поглощение. 73. Каковы основные акустические характеристики породы? Акустические свойства характеризуют процесс распространения упругих волн. Скорость распространения упругих волн; Коэффициент поглощения упругих колебаний Волновое сопротивление Способность отражать и преломлять волны Произведение плотности породы r на скорость упругой волны в ней V принято называть удельным волновым сопротивлением породы Z (или, иначе, акустической жесткостью или удельным акустическим импедансом):  Акустическая жесткость пород Z определяет их способность отражать и преломлять упругие волны на границах раздела пород. Коэффициентом отражения волны KОТ принято называть отношение энергии отраженной волны Е0 к энергии падающей волны ЕП:  С увеличением разности в акустических жесткостях Z1 и Z2двух сред возрастает и коэффициент отражения КОТна границе раздела этих сред:  Основные акустические параметры некоторых горных пород и флюидов приведены в таблице 1. Таблица 1. Акустические параметры пород и флюидов.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||