W projekcie ShaleMech, realizowanym w PIG-PIB w latach 2014-2017, badano własności mechaniczne skał łupkowych z Pomorza. Ważnymi zjawiskami mechanicznymi zachodzącymi w tych skałach są: pełzanie i relaksacja, tj. odpowiednio, powolny przyrost odkształceń przy stałym naprężeniu oraz powolny spadek naprężeń przy stałym odkształceniu. Te procesy modyfikują stan naprężeń w złożu, a od znajomości stanu naprężeń zależy w dużym stopniu sukces zabiegów inżynierskich, jak np. szczelinowanie hydrauliczne.
Pomiar naprężeń in situ w otworze wykonywany jest zazwyczaj w zaledwie kilku punktach na całej jego głębokości, a pomiary obarczone są dodatkowo dużą niepewnością. Z tych powodów, dużą popularnością cieszą się modele teoretyczne rozkładu naprężeń, które oparte są bądź o założenie sprężystości warstw, bądź też założenie równowagi granicznej wg kryterium Coulomba-Mohra. Dostępne dane pomiarowe wskazują, że oba modele mogą przewidywać właściwe naprężenia, ale tylko w bardzo specyficznych warunkach, które niekoniecznie są spełnione w warstwowanych basenach sedymentacyjnych o zróżnicowanej litologii. Z tego powodu, w ramach projektu ShaleMech zaczęliśmy pracować nad metodą opartą o własności lepkosprężyste.
Badania naprężeń w skorupie ziemskiej rozwijane były przez wielu badaczy, między innymi prof. Bezalela Haimsona (Uniwersytet Wisconsin-Madison), który prowadził zarówno hydrauliczne badania otworowe, jak i badania laboratoryjne w tzw. prawdziwym aparacie trójosiowym własnej konstrukcji. Uczniem prof. Haimsona był Mark Zoback (Uniwersytet Stanford), który miał ogromny wpływ na rozwój wiedzy geomechanicznej, między innymi poprzez zapoczątkowanie projektu World Stress Map. Doktorant prof. Zobacka, Hiroki Sone, będący obecnie kierownikiem Laboratorium Mechaniki Skał na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, badał własności lepkosprężyste północno-amerykańskich łupków i tworzył modele mechaniki warstw osadowych w oparciu o parametry konstytutywne zmierzone w laboratoryjnych badaniach pełzania.
Z powodu zbieżnych zainteresowań badawczych prof. Sone oraz Programu Modelowanie Procesów Geologicznych, nawiązana została współpraca, w ramach której mgr Maciej Trzeciak z PIG-PIB odbył półroczny staż badawczy na Uniwersytecie Wisconsin-Madison w roku 2016. Podczas stażu wykonano szereg testów pełzania na pomorskich skałach łupkowych (publikacja pt. "Long-term creep tests and viscoelastic constitutitve modeling of lower Paleozoic shales from the Baltic Basin, N Poland", opisująca wyniki badań, oczekuje obecnie na ostateczną decyzję w czasopiśmie International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences).
Badania wykonane w sierpniu 2018 roku są kontynuacją badań rozpoczętych w ramach projektu ShaleMech. Tym razem jednak nie skupiono się na łupkach, lecz badano także inne litologie: anhydryty i piaskowce. Dodatkowo zastosowano metodę badań cyklicznego pełzania, tj. próbka była wielokrotnie obciążana i odciążana, co pozwala na dokładniejszą analizę krzywych pełzania, a co za tym idzie, sformułowanie prawa konstytutywnego, które lepiej odzwierciedla prawdziwe zachowanie skał.
Po analizie danych, planowana jest publikacja wyników w czasopiśmie Rock Mechanics Rock Engineering.
Strona projektu: shalemech.pgi.gov.pl/pl
Tekst: Maciej Trzeciak
Zdjęcie: Lech Darski, commons.wikimedia.org
