УДК 622.24.026.3.001.5
>ВД Евсеев, 2011
Природа эффекта Ребиндера при разрушении горных пород
В.Д. Евсеев, д.т.н.
(Томский политехнический университет)
The nature of the Rehbinder's effect at rocks destruction
V.D. Evseev (National Research Tomsk Polytechnic University)
Studies of the freshly formed surfaces of dielectric minerals, being performed over the past decades, have shown that the dielectric surfaces, resulting at destruction, are not electrically neutral, strong electric fields are generated in the cavities of the crack, that indicated on the greater energy capacity of processes running in the cavity of cracks: the crack can be regarded as a high-energy electrons accelerator. But this phenomenon has not been used for understanding the nature of P. A. Rehbinder's effect. It is not science, but the practical activity forced drillers to abandon attempts to increase the mechanical drilling speed by the introduction of hardness reducers. The task of the day - getting information from the bottomhole of the drilled well through relaxation currents.
Ключевые слова: неорганические диэлектрики, горная порода, полярные и неполярные жидкости, электрическая проводимость, время релаксации электрических зарядов, прочность, твердость, бурение. Адрес для связи: evseevvd@mail.ru
Изменение твердости горных пород в присутствии различных по природе жидкостей всегда связывается с эффектом ПА Ребиндера, т.е. с уменьшением удельной свободной поверхностной энергии (УСПЭ) разрушаемых минералов горной породы при избирательной физической адсорбции молекул жидкости на возникающих свежих поверхностях адгезионного или когезионного происхождения [1]. Такое понимание природы эффекта ПА Ребиндера привело в появлению парадокса: вводимый в воду химический реагент (понизитель твердости) обеспечивает значительное (первые десятки процентов) снижение твердости образца горной породы при лабораторном исследовании, но введение этого же реагента в буровой раствор на водной основе не дает прироста механической скорости бурения. Видимо, это связано с неверной трактовкой природы эффекта П.А. Ребиндера при разрушении горных пород, минералов.
Традиционное объяснение природы эффекта ПА Ребиндера вызывает следующее возражение. Вывод об изменении прочности разрушаемых минералов вследствие снижения их УСПЭ был сделан исходя из формулы АА Гриффита а = (2£у/)0,5 , (1)
связывающей прочность тела а, модуль Юнга Е, длину трещины I в теле и величину его УСПЭ у0.
Дальнейшие исследования показали, что в таком виде формула А.А. Гриффита неточна: рост трещины нормального отрыва в твердых телах сопровождается механическими потерями энергии (например, в результате пластической деформации в вершине трещины) умп, и это изменение определяет эффективную энергию разрушения уэфф = у0 + умл - важнейшую прочностную характеристику разрушаемого тела. Величина умп у металлов, например, превышает значение их УСПЭ в 102-104 раз [2]. Долгое время оставался открытым вопрос о природе механических потерь энергии при разрушении диэлектрических минералов: было установлено, что уэфф превышает у0 минералов в 1,5-10 раз [2]. В работе [3] выполнено модифицирование модели эффекта П.А. Ребиндера с учетом «электризации свежей поверхности при разрушении», однако природа указанного выше парадокса не рассматривалась. В данной статье этот пробел восполняется.
Взаимодействие разноименных электрических зарядов плотностью q0, возникающих на противоположных поверхностях растущих трещин нормального отрыва, ведет к возникновению механических потерь энергии электростатической природы уэл , зависящих от q0 . Это обеспечивает рост энергии разрушения от у0 до уэфф и повышение прочности [3]. Появление электрических зарядов плотностью q0 на сторонах трещины обеспечивает также протекание электрофизических процессов: а) эмиссии электронов высоких энергий со свежей поверхности; б) электромагнитной эмиссии, сопровождающей развитие разрушения [4].
Особенностью механических потерь энергии электростатической природы уэл является то, что появление свободных электрических зарядов на сторонах трещины отражает также и начало процесса их релаксации, проходящего во времени в соответствии с временем релаксации T зарядов в данном диэлектрике. Если разрушение происходит в присутствии жидкости, то к этому добавляется релаксация зарядов через жидкость в соответствии с временем релаксации зарядов в данной жидкости т (полагаем, что скорость проникновения жидкости в полость трещины vж превышает скорость роста трещины vr).
Так как время релаксации электрических зарядов определяется в основном электрической проводимостью (относительная диэлектрическая проницаемость лишь корректирует значения T и т), именно этот параметр разрушаемого диэлектрика и жидкости, в присутствии которой происходит разрушение, определяет проявление эффекта ПА Ребиндера. По времени релаксации электрических зарядов в жидкости их можно разделить на два класса: диэлектрические неполярные; проводящие полярные. Жидкость изменит развитие релаксационных процессов в вершине трещины только при условии т < T.
Прочность диэлектрического минерала в присутствии жидкости зависит от многих переменных а = а (q0, t, T, т, l, E, vx , vj, (2)
где t - время действия механической нагрузки на тело. Это означает, что различные проявления эффекта П.А. Ребинде-ра определяются симплексами T/t, т/t, т/Т^т^ж.
38 11'2011 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Появление электрических зарядов q0 на сторонах растущих трещин при разрушении неорганических диэлектриков, обладающих временем Т, приводит к возникновению релаксационного тока jv проходящего через диэлектрик, и зависимости уэл от симплекса t/T: при t/T<<l электростатическая компонента работы разрушения увеличивает прочность тела до неравновесного максимального значения amax, соответствующего параметру q0 (при данной /), если выполняется условие t/T>>1, то вклад этой компоненты в величину прочности минимален и прочность диэлектрика достигает равновесного минимального значения amin.
При разрушении диэлектриков в присутствии жидкости, проникающей в полость растущей трещины, кроме тока j1, возникает релаксационный ток j2, проходящий через жидкость. Плотность тока j2 определяется величиной т. Появление релаксационного тока j2 обусловливает зависимость уэл от симплекса т/t: при т/t << 1 электростатическая компонента эффективной энергии разрушения будет минимальна, обеспечивая снижение прочности тела до omin; при т/t >>1 прочность максимальна. Величина amin будет достигаться быстрей при разрушении диэлектрика в присутствии жидкостей, время релаксации электрических зарядов в которых удовлетворяет неравенству т<Т.
Разность amax - amin = Да определяет диапазон возможного искусственного снижения прочности диэлектрика при разрушении его в присутствии жидкости (управление эффектом ПА. Ребинде-ра). О диапазоне искусственного изменения эффективной энергии разрушения с помощью жидкости можно судить по изменению Yэфф неорганического стекла [2]: в вакууме уэфф составляет 1,2 Дж/м2, в воде - 0,29 Дж/м2, т.е. Дуэфф = 0,91 Дж/м2. Уменьшение Да, Дуэфф зависит от тока j1: чем больше j1, тем меньше диапазон искусственного изменения прочности.
Так как электрическая проводимость неорганических диэлектриков (и, естественно, время T) обеспечивается главным образом примесными ионами и изменяется в больших пределах (10-12-10-20 См/м), степень снижения прочности во времени при испытании даже одного и того же диэлектрического минерала (слюды, кварца, кальцита, га-лита), если он взят из разных мест, в вакууме будет различаться.
Дополнительное изменение проводимости диэлектрика обеспечивает вода, абсорбируемая диэлектриком и растворяющая его. Образующиеся электропроводящие водные растворы вносят основной вклад в снижение прочности тела. По этой причине при исследовании влияния конкретной жидкости на разрушение диэлектрика необходимо предварительно удалять абсорбционную воду из него, снижая ток j1 (длительное выдерживание образцов над гигроскопическими веществами типа P^ , H2SO4 в эксикаторе либо высокотемпературное высушивание в вакууме). Несоблюдение этого условия может привести к ошибочным выводам о влиянии данной жидкости на прочность диэлектрика.
Электропроводящие водные растворы, образованные из абсорбционной воды, обеспечивают ускоренное снижение параметра q0, интенсивности протекания указанных выше электрофизических процессов. Об этом свидетельствуют исследования [5, 6], результаты которых показали, что поток быстрых электронов при сколе увлажненного кристалла LiF снижается в 2 раза, а эмиссия электронов с поверхности кристалла NaCl появляется только после его предварительного высушивания. Возрастание потока электронов с энергией до 105 эВ наблюдалось и после предварительного высушивания кристалла кварца при температуре 300 °С в вакууме порядка 10-3 Па в течение 3 ч по сравнению с величиной скорости счета импульсов при сколе образцов кварца, не прошедших термовакуумной трени-
ровки [6, 7]. Зависимость энергии разрушения уэфф диэлектрика от плотности q0 означает, что такое же изменение будет характеризовать величину Да: Да^сопй.
Добиться выполнения условий равновесности разрушения Т << ^ и т << t практически невозможно, если разрушается диэлектрик, обладающий значительной величиной Т (например, после термовакуумной тренировки образцов). Если такой диэлектрик разрушается в присутствии жидкости с малой величиной т, обеспечивающей выполнение неравенства vр/vж < 1, то такое разрушение будет равновесным: при этом вклад механических потерь энергии электростатической природы в величину прочности тела минимален [3].
В соответствии с наличием двух токов релаксации электрических зарядов следует различать объемный и поверхностный эффекты ПА Ребиндера. Объемный эффект - зависимость уэл и прочности диэлектрика от его примесной электропроводности, снижение прочности диэлектрика в результате возрастания его объемной электропроводности при абсорбции диэлектриком молекул воды из воздуха, молекул жидкости, в присутствии которой происходит испытание.
Поверхностный
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.