Madame Lelica

interpretacja Mikromechaniczna

pokazaliśmy, że andezyt Rotokawa zawiera wszechobecną sieć izotropowych mikrokraków., Ze względu na ich rozkład izotropowy większość tych mikropęknięć jest zgodna z wynikami naprężeń termicznych (Fredrich i Wong ; Reuschlé et al. ; Wang i in. ; David i in. ; Heap i in. ). Rzeczywiście, andezyt Rotokawa doświadczył kilku cykli ogrzewania i chłodzenia: początkowej erupcji andezytu, pochówku w uszkodzonym grabenie, zmiany hydrotermalnej i ostatecznej ekshumacji podczas odzyskiwania rdzenia (Rae; Lim et al. )., Nasza analiza mikrostrukturalna wykazała, że wszechobecne mikrokrycie wydaje się niezależne od litologii, mineralogii pierwotnej i mineralogii wtórnej (hydrotermalnej).

intensywne mikrokrążenie w naszych próbkach okazało się istotnym czynnikiem we wszystkich mierzonych właściwościach fizycznych. Po pierwsze, mikrokrążenie znacznie zmniejszyło prędkość propagacji fal sprężystych przez andezyt., Widzimy wyraźną korelację obszaru pęknięć na jednostkę objętości (Sv) z obserwowanymi prędkościami fal kompresyjnych (rysunek 8D) i interpretujemy to jako tłumienie fali kompresyjnej przez pęknięte granice wewnątrzkrystaliczne i międzykrystaliczne, które są obfite w andezyt (np. Wielu autorów (np. Vinciguerra et al. ; Keshavarz et al. ; Blake et al. ; Heap i in. ) wykazały również, że prędkości fali sprężystej mogą być silnie osłabione przez obecność mikropęknięć.,

Po drugie, pole powierzchni pęknięć i UCS wykazały doskonałą korelację (rysunek 11B). Jak zauważył Walsh (,), David et al. (), oraz Chaki i in. (), gęstość pęknięć w próbce jest krytyczna w dyktowaniu jego siły. Rozwój mikropęknięć podczas kompresji jednoosiowej i koalescencji tych pęknięć (nowo powstałych i wcześniej istniejących), prowadzi do uszkodzenia próbki (Brace et al. ; Bieniawski). W próbkach, które już wykazują stosunkowo wysoką gęstość pęknięć, mniej energii jest wymagane do połączenia istniejących pęknięć, a tym samym są one z natury słabsze (David et al., ; Ferrero and Marini ; Keshavarz et al. ). Wykorzystując monitorowanie AE podczas naszych testów UCS, obserwujemy, że mniej zdarzeń występuje podczas kompresji jednoosiowej w słabszych próbkach niż te o wyższej wytrzymałości (Rysunek 10), co wskazuje, że istnieje znacznie więcej wcześniej istniejących pęknięć w słabszych próbkach (Hardy ; Eberhardt et al. ; Nicksiar i Martin). W ten sposób wykazano, że obecność wcześniej istniejących mikropęknięć w Andezytach Rotokawa wywiera silną kontrolę na ich jednoosiową wytrzymałość na ściskanie.

przepuszczalność jest jedną z najważniejszych właściwości układu geotermalnego., W tym badaniu widzieliśmy, że porowatość (i gęstość próbki zbiorczej) i wytrzymałość są związane z zakresem mikrokrakowania w andezytach. Nie mierzyliśmy powierzchni pęknięć w próbkach używanych do naszych pomiarów przepuszczalności (próbki zostaną wykorzystane do przyszłych badań; obliczanie powierzchni pęknięć wymagało destrukcyjnego przygotowania cienkiego przekroju). Możemy jednak, za pomocą proxy, przyjąć korelację między przepuszczalnością a zasięgiem sieci mikropęknięć., Pokazujemy, że istnieje wyraźna odwrotna zależność między przepuszczalnością próbki a prędkością fali P, taka, że wraz ze wzrostem przepuszczalności zmniejsza się prędkość fali ściskającej (rysunek 11F). Wyniki te są zgodne z wielu badań wykazały wyraźny związek między zmniejszonych prędkości fal elastycznych i zwiększonej przepuszczalności (David et al. ; Vinciguerra et al. ; Chaki i in. ; Nara i in. ; Faoro i in. ; Heap i in. )., Chociaż nie mierzyli zależność gęstości pęknięć do przepuszczalności bezpośrednio w naszym zbiorze danych, pokazujemy, że Sv i Vp są odwrotnie związane (rysunek 8D), a podobna zależność istnieje między Vp i przepuszczalności. Dlatego możemy wywnioskować, że próbki o wyższych powierzchniach pęknięć będą z natury bardziej przepuszczalne.,

kluczowe relacje empiryczne

w tej sekcji przedstawiamy relacje pojedynczych zmiennych, które można łatwo i łatwo zmierzyć za pomocą narzędzi fotomikrografii lub geofizycznych logowań oraz ich korelację z bardziej skomplikowanymi i istotnymi właściwościami fizycznymi. Wszystkie te parametry są pojedynczo mierzalnymi zmiennymi, które nie opierają się na złożonych wzorach dla ich wyprowadzenia (takich jak dynamiczny moduł Younga lub współczynnik Poissona) i dlatego zostały wybrane jako kluczowe relacje, które przedstawiamy z istotnością dla andezytu Rotokawa.,

porowatość i UCS

istnieje wykładnicza korelacja między porowatością próbki a UCS (rysunek 11A). Takie korelacje zostały wykorzystane przez kilku autorów(na przykład, Vernik et al. ; Li i Aubertin; Palchik i Hatzor ; Kahraman et al. ; Chang et al. ; Palchik; Pola i in. ) dla różnych skał klastycznych i wulkanicznych oraz materiałów betonowych. Autorzy prezentują empiryczne dopasowania do korelacji właściwości fizycznych w porównaniu z UCS i wykazują szeroki zakres korelacji w swoich odpowiednich zestawach danych z wartościami R2 od blisko 0,6 do tak wysokich jak 0,95., Proponujemy, że nasze empiryczne dopasowanie między porowatością a UCS (wykładnicze dopasowanie z współczynnikiem korelacji 0,82, rysunek 11a) może dostarczyć użytecznych estymacji wytrzymałości skał zbiornika w obrębie zbiornika Andezytowego Rotokawa. Wykorzystując estymacje UCS pochodzące z korelacji porowatości, minimalna wytrzymałość skał może być stosowana do ważnych kwestii inżynieryjnych, takich jak stabilność wellbore (Chang et al. ; Schöpfer et al. ).

Vp i UCS

istnieje wykładnicza korelacja między siłą a Vp o wartości R2 wynoszącej 0,74 (rysunek 11C)., Jak zauważył Kahraman (), związek między Vp i UCS jest na ogół nieliniowy i im większa wytrzymałość materiału, tym bardziej rozproszone są punkty danych. Heap i in. () do podobnych wniosków doszły po pomiarach na skałach andezytowych z Volcán de Colima (Meksyk). W naszym badaniu istnieje rosnący trend siły ze wzrostem Vp, ale jak pokazano na rysunku 9, istnieje wysoki stopień anizotropii przestrzennej w odniesieniu do Vp, tak że silna korelacja siły z prędkością fali elastycznej jest trudna do uzyskania., Jednak Vp jest szeroko wykorzystywanym narzędziem rejestrowania w geofizyce otworów (Chang et al. ), a korzystając z uzyskanej korelacji, można ustalić minimalne kryteria wytrzymałości na podstawie odpowiedzi narzędzia rejestrującego. Jest to ważna korelacja, ponieważ rejestrowanie geofizyczne jest znacznie łatwiejsze, szybsze i bardziej wydajne niż rdzenie punktowe cięcia (jako rdzeń dla tego badania uzyskano), a więc rozwój korelacji empirycznych w celu ograniczenia wytrzymałości, takich jak widoczne na rysunku 11B, może pomóc zmniejszyć ryzyko i obniżyć koszty związane z programami wiercenia geotermalnego.,

VP i porowatość

korelacje między Vp i porowatości pokazują rosnącą tendencję porowatości ze spadkiem Vp (rysunek 11D, również obserwowane przez Al-Harthi et al. ; Rajabzadeh et al. ; Tugrul and Gurpinar; Heap et al. ). Można to przypisać zarówno rozkładowi struktury porów, jak i stopniowi mikrokrążenia w andezytach. Z analizy mikrostrukturalnej (przy użyciu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego) wynika, że duża część porowatości w Andezytie Rotokawa może składać się z (makro – i mezoskali) złamań i mikropęknięć (np.,, Rys. 6 i 7).

Wyjaśnienie zmienności i szerokiego rozkładu danych o prędkości fali sprężystej dla próbek o podobnych porowatościach (w szczególności w odniesieniu do tych danych, które mieszczą się w zakresie od 4000 do 4400 m/s) polega na tym, że między próbkami musi występować zmienna zawartość porów (vug/vesicle) lub zmiana hydrotermalna. Obecność porów znacznie zwiększy porowatość (ze względu na ich proporcje), ale będzie miała stosunkowo niewielki wpływ, w porównaniu do mikropęknięć,na prędkość fali P., Zastosowanie naszej relacji wykładniczej (rysunek 11D) może dać przybliżenie dla prędkości sejsmicznych pochodzących z połączonej porowatości lub odwrotnie. Może to być przydatne podczas wiercenia dodatkowych studni w Rotokawa, gdzie porowatość może być mierzona w miejscu odwiertu i daje przybliżenie prędkości fali P i jako takie wiąże się z naszymi empirycznymi korelacjami wytrzymałości (rysunek 11C).,

przepuszczalność i porowatość

nasze dane dotyczące przepuszczalności i porowatości pokazują, że istnieje wyraźny trend zwiększania porowatości ze zwiększoną przepuszczalnością dla andezytu Rotokawa (rysunek 11E), co jest powszechną obserwacją w wielu litologiach (np. Heard i Page ; Géraud ; Stimac et al. ; Chaki i in. ; Watanabe et al. ; Heap i in. )., Obserwujemy, że nasza relacja między porowatością a przepuszczalnością może być opisana przez korelację prawa mocy i jest zgodna z relacją Kozeny 'ego-Carmana (Guéguen i Palciauskas, patrz sekcja „zastosowanie mikromechanicznych i geometrycznych modeli przepuszczalności”). Zależność przepuszczalności od porowatości jest ogólnie wyjaśnione przez założenie, że bardziej połączone przestrzeń porów (pęknięcia i pory) zapewnia bardziej efektywne drogi migracji płynów (np Costa; Chaki et al. )., Musimy jednak wziąć pod uwagę te punkty danych, które mają bardzo podobną wartość przepuszczalności (około 3,2 × 10-17 m2, Tabela 4), o zakresie porowatości od 7,6 do 10,3% obj., które wskazują, że istnieje zmienność próbek w odniesieniu do przepuszczalności, które mogą być odzwierciedlone w skręcalności sieci porowatej. Jest to zgodne z ustaleniami Bernard et al. () oraz sterta i in. () tak, że przepuszczalność w skałach wulkanicznych jest w dużym stopniu zależna od połączenia mikrostruktury.,

w odniesieniu do mikrostruktury, pokazaliśmy, że porowatość jest bardzo ściśle związana z powierzchnią pęknięć (rysunek 8D), a tym samym, że zwiększenie gęstości pęknięć odpowiada próbce o wyższej przepuszczalności. Trzy próbki, które leżą nieco poza trendem zbioru danych, wykazują wyraźne mezofrakcje (czarne gwiazdy na rysunku 11E, F) i że te mezofrakcje znacznie zwiększają przepuszczalność próbek bez znacznego zwiększenia ich porowatości. Próbki te wykazują wyższą niż średnia przepuszczalność dla ich porowatości, co potwierdza wnioski Stimac et al., (), że mezo-i makrofrakcje mają kluczowe znaczenie w kontrolowaniu przepuszczalności systemów zbiorników geotermalnych. Na dużą skalę makrofrakcje są niezbędne do produkcji płynów ze zbiorników geotermalnych, ale nie można pominąć mikrostrukturalnych cech skał żywicielskich, biorąc pod uwagę przepływ płynów, pojemność magazynową i całkowitą przepuszczalność zbiornika (Jafari i Babadagli).,

solidna zależność między porowatością a przepuszczalnością ma szersze zastosowania zbiorników, gdzie potrzeba zrozumienia przepuszczalności skał zbiornika (sama masa, a nie te części z wysoce makroskopowymi złamaniami, np. Massiot et al. ) ma znaczenie dla prognozowania i modelowania rezerwuarów. Pomiary porowatości mogą następnie dać dobre przybliżenie przepuszczalności nienaruszonej skały rezerwuarowej w Rotokawa poprzez naszą korelację prawa mocy (rysunek 11E). Zalecamy jednak ostrożność, jeśli porowatość wykracza poza nasz zmierzony zakres., Ponieważ porowatość jest łatwo mierzalną właściwością przez geofizyczne narzędzia rejestrujące (Ellis i Singer), odpowiedź z takiego narzędzia, wraz z naszym empirycznym dopasowaniem, może dać inżynierom i geologom przybliżenie przenikalności macierzy w Andezytie Rotokawa.

przepuszczalność i prędkości akustyczne

istnieje wyraźna odwrotna zależność między naszymi pomiarami przepuszczalności i prędkości fali P (rysunek 11F), tak że im bardziej przepuszczalna próbka, tym wolniejsza prędkość fali ściskającej. Ustalenia te są zgodne z ustaleniami wielu innych autorów (np.,, Vinciguerra i in. ; Chaki i in. ; Nara i in. ; Heap i in. ). Korelacja takich właściwości jest doskonałym narzędziem do zrozumienia mikro-i mezoskopowych sieci złamań i ich związku z przepuszczalnością w Andezynie Rotokawa w następujący sposób: (1) pokazaliśmy, że porowatość i gęstość pęknięć są ściśle powiązane (rysunek 8A), (2) Prędkość akustyczna i gęstość pęknięć są ściśle powiązane (rysunek 8D), oraz (3) istnieje korelacja prawa mocy Vp i przepuszczalności (rysunek 11F)., Tak więc, istnieje bezpośredni związek prędkości fali p do przepuszczalności, która jest zależna od gęstości pęknięć próbek. Relacja, którą przedstawiamy na rysunku 11F, pokazuje dopasowanie prawa mocy, które wskazywałoby, że promienie hydrauliczne przestrzeni porów (porów i pęknięć) są podobne pod względem wielkości, ale im wyższe stężenie pęknięć, tym wyższa przepuszczalność obserwujemy (Bourbie i Zinszner).

podobnie zdarzają się okazjonalne mezofrakcje (z otworami o szerokości mniejszej niż 1 mm; zauważamy, że złamania te są znacznie mniejsze niż te opisane w Massiot et al., ) w próbkach odbiegających od reszty zbioru danych (czarne gwiazdy, rysunek 11F). Obecność tych makrofrakcji zwiększa przepuszczalność (o współczynnik 2), a także wydaje się szkodliwa dla propagacji fal sprężystych (wszystkie trzy próbki zawierające mezofrakcje mają niskie prędkości fal sprężystych, chociaż nie możemy oddzielić wpływu mezo – i mikropęknięć na prędkości tych próbek). Ponadto fale elastyczne są przydatne do wykrywania pęknięć w skale i betonie (Chaki et al. ; Heap i in., ), a zmniejszona prędkość fali sprężystej koreluje dobrze z bardziej przepuszczalnymi mediami, które są obserwowane przez trzy odległe, wyższe przepuszczalność, niższe próbki prędkości fali sprężystej.

korelacja między prędkością fali sprężystej a przepuszczalnością poza laboratorium ma potencjalnie daleko idącą wartość dla przewidywania interakcji przepuszczalności zbiorników z drueline logging i badań sejsmicznych i mikroseismicznych na większą skalę., W Rotokawa jest zainstalowana złożona sieć mikroseistyczna, a lokalizacja aktywności trzęsienia ziemi jest ściśle powiązana z makroskopową przepuszczalnością w zbiorniku (Sewell et al. ; Sherburn et al. ). Istniejący model struktury prędkości na głębokości można następnie udoskonalić za pomocą naszych danych prędkości akustycznej i przepuszczalności dla reservoir rock matrix. Może to pozwolić na głębsze i dokładniejsze zrozumienie rozkładu przepuszczalności na głębokości.,

dodatkowo, przedstawione przez nas dane mogą być również wykorzystane do wnioskowania wartości przepuszczalności matrycy z akustycznych dzienników przewodowych (dipol sonic) używanych podczas eksploracji w pobliskim polu geotermalnym Ngatamariki (Wallis et al. ). W przypadku zastosowania podobnego zapisu geofizycznego w przyszłych studniach wierconych w Rotokawie, przepuszczalność matrycy może być oszacowana na podstawie relacji, którą tutaj przedstawiamy. Ponadto połączenie tych danych z danymi mikroseistycznymi może pozwolić na znaczne zwiększenie zrozumienia złożoności zbiornika Andezytowego Rotokawa., Chociaż jesteśmy świadomi, że makrofrakcje zwiększają prędkość fali sprężystej podczas rutynowego profilowania akustycznego (np. Barton i Zoback), nasze dane laboratoryjne pokazują, że chociaż próbki zawierające mezofrakcje (tj. na skali próbki) są przesunięte do wyższych przepuszczalności i prędkości fali sprężystej, nie oddalają się zbyt daleko od trendu ekstrapolowanego z naszej relacji władza-prawo. Pomimo tego, wzywamy pewien stopień ostrożności, w oparciu o potencjalną obecność złamań na dużą skalę, przy szacowaniu przepuszczalności za pomocą naszej pochodnej relacji przepuszczalność-prędkość fali elastycznej.,

zastosowanie mikromechanicznych i geometrycznych modeli przepuszczalności

ekstrakcja empirycznych zależności między laboratoryjnymi właściwościami skał jest przydatna, jednak parametry NIE są łatwo związane z niezależnie mierzalnymi wielkościami (tzn. nie mają podstawy fizycznej). Mikromechaniczne (np. model pęknięcia skrzydeł Ashby 'ego i Sammisa ) i geometryczne modele przepuszczalności (np. relacja Kozeny' ego-Carmana, Guéguena i Palciauskasa ) mogą być lepiej ograniczone, ponieważ parametry używane w takich modelach mają wyraźne znaczenie fizyczne., W tej sekcji spróbujemy zarówno modelowania przesuwnych pęknięć skrzydeł, jak i modelowania przepuszczalności Kozeny ' ego-Carmana, aby zbadać mikrostrukturalne kontrole odpowiednio deformacji i przepływu płynu.

Modelowanie Mikromechaniczne

modelowanie Mikromechaniczne może dostarczyć przydatnych spostrzeżeń w mechanice uszkodzeń ściskających w kruchej skale (Wong i Baud ). Ponieważ skały tego badania zawierają wysokie zagęszczenia mikrokraków, zastosujemy model ślizgowo – skrzydłowy Ashby 'ego i Sammis' a ()., Model ten idealizuje mikrostrukturę skalną jako elastyczne kontinuum osadzone z nachylonymi (45°) mikropęknięciami (o długości 2c). Te mikropęknięcia działają jako Koncentratory naprężeń do inicjowania pęknięć „skrzydłowych”, gdy opór tarcia zamkniętego pęknięcia zostanie pokonany, a naprężenie na końcu pęknięcia przekroczy współczynnik intensywności krytycznego naprężenia (WWII). Pęknięcia mogą następnie propagować się w kierunku maksymalnego naprężenia głównego. Ostatecznie pęknięcia łączą się, powodując awarię sprężystego medium. W przypadku kompresji jednoosiowej, Baud i in., () uzyskał aproksymację analityczną do oszacowania UCS:

gdzie μ jest współczynnikiem tarcia pęknięcia ślizgowego, a D0 jest początkowym parametrem uszkodzenia, który jest funkcją kąta początkowego mikropęknięcia w odniesieniu do maksymalnego naprężenia głównego i początkowej liczby pęknięć ślizgowych na jednostkę powierzchni (Ashby ' ego ).i sammis).

przedstawione powyżej rozwiązanie analityczne (zakładające początkowy kąt pęknięcia 45°) zawiera pięć parametrów., Mamy, poprzez dane eksperymentalne i obserwacje, dobrą obsługę trzech parametrów: (1) mierzyliśmy UCS 22 próbek (Tabela 3), (2) μ rzadko odchyla się od 0,6 do 0,7( Byerlee), i (3) c można określić z mikroskopii optycznej (C określiliśmy mierząc przybliżoną średnią długość mikropęknięć pod mikroskopem). Nie mamy ustalonej laboratoryjnie wartości dla WWII. Podczas gdy WWII z andezytu wcześniej mierzono około 1.5 MPam0 .5 (Ouchterlony; Obara et al. ; Tutluoglu i Keles ; Nara i in., ), nie ma gwarancji, że wartość ta jest reprezentatywna dla andezytu Rotokawa, który prawdopodobnie będzie niższy od tych wartości z powodu zmian hydrotermalnych. Dlatego wybraliśmy nieco niższą WWII 1.0 MPam0. 5 do naszej analizy. Korzystając z naszych danych UCS, możemy rozwiązać równanie 10, aby przypisać wartość D0 do każdego eksperymentu(używając μ = 0,6; KIC = 1,0; c = 0,001 m)., Celem takiej analizy, przy założeniu, że pozostałe parametry pozostają mniej więcej na stałym poziomie pomiędzy różnymi próbkami/rdzeniami, jest oszacowanie D0 przy użyciu łatwo mierzonej właściwości fizycznej, takiej jak Vp (dzięki czemu możemy przewidzieć wytrzymałość skał, używając modelu mikromechanicznego, z samych pomiarów Vp). Nasza analiza pokazuje, że D0 waha się od 0,0019 do 0,26 dla 22 mierzonych próbek (ze średnią 0,039). D0 jest wykreślony w stosunku do obszaru pęknięć na jednostkę objętości (Sv) i Vp na rysunku 12 i wskazuje, że D0 zwiększa się wraz ze wzrostem Sv (rysunek 12A)., Chociaż może to wydawać się logiczne (D0 jest funkcją początkowej gęstości pęknięć), służy jako zachęcający dowód tego pojęcia. Wzrost D0 przy gęstości pęknięć nie jest liniowy; D0 wzrasta szybciej niż 10 mm-1 (rys. 12A). Widzimy również, że Vp maleje wraz ze wzrostem D0; szczegółowo, Vp maleje szybko, gdy D0 wzrasta z 0 do 0,05, a następnie zmniejsza się stopniowo powyżej 0,05., Niestety, związek między D0 i Vp jest nieco bardziej zachmurzony (dane są bardziej rozproszone, rysunek 12B) i prawdopodobnie reprezentuje zmienną gęstość pęcherzyków (model zakłada, że pęcherzyki nie odgrywają roli w niepowodzeniu w kompresji) i zmiany hydrotermalne (Zakładamy, że WWII i średnie długości pęknięć są stałe). Wniosek z tej analizy pilotażowej jest taki, że zmienność w obrębie andezytu Rotokawa jest potencjalnie zbyt duża, aby umożliwić znaczące mikrostrukturalne modelowanie pęknięć skrzydeł, ale większy sukces można osiągnąć z laboratoryjnie ustalonymi wartościami dla WWII., Dlatego też, jeżeli modelowanie mikromechaniczne ma być stosowane jako wykonalna metoda przewidywania wytrzymałości skał Andezytowych Rotokawa, próbki / rdzenie należy pogrupować według ich zmian, a WWII zmierzyć dla każdej grupy zmian.