CC BY
8
УДК 622.831
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-149-154
СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОРАЗРЫВА: МОДЕЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ И ИНСТРУМЕНТАРИЙ
Аркадий Васильевич Леонтьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)205-30-30, доп. 173, e-mail: leon@misd.ru
Определены требования к материалу образцов, используемых при физическом моделировании процесса гидроразрыва на стенде трехосного независимого нагружения. Предложена форма модельных образцов составного вида. Описаны конструкции скважинных зондов и системы подачи рабочего флюида.
Ключевые слова: гидроразрыв, материал модельных образцов, скважинный зонд.
BENCH FOR HYDRAULIC FRACTURING MODELING: MODEL SAMPLES AND TOOLS
Arkady V. Leontiev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Leading Researcher, Mining Information Technique Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 173, e-mail: leon@misd.ru
The requirements for the samples' material used in the physical modeling of hydraulic fracturing at the three-axis independent loading bench are determined. A form of composite model samples is proposed. Designs of well logging sondes and working fluid supply systems are described.
Key words: hydraulic fracturing, model samples material, well logging sonde.
Задачи физического моделирования процесса гидроразрыва скважин связаны с развитием новых подходов в реализации метода «измертельного» гидроразрыва, получившего в настоящее время широкое распространение в практике геомеханических исследований при контроле напряжений, действующих в массиве горных пород. [1-5]. Данный метод эффективен при детальном изучении локальных полей напряжений вблизи подземных выработок и сооружений, а также может использоваться для контроля напряженного состояния горных пород на большой глубине.
Важным элементом технологии «измерительного» гидроразрыва является определение направления развития трещины гидроразрыва. Накопленный практический опыт свидетельствует, что применяемые средства локации следа трещины на поверхности скважины не обеспечивают достоверного определения фактического направления ее развития в массиве. В связи с этим перспективным представляется поиск возможностей осуществления направленного гидроразрыва, т. е. получение трещин гидроразрыва в заданном направлении. Выполнение тестов направленного гидроразрыва в разноориентированных сква-
жинах открывает возможность расчета по экспериментальным данным величин и направлений действия всех компонент действующих в массиве напряжений.
Исследования особенностей развития трещин при гидроразрыве предусматривается методом физического моделирования с использованием созданного в ИГД СО РАН стенда трехосного независимого нагружения [6]. Отработка технологии получения направленного гидроразрыва требует проведения большого числа экспериментов на модельных образцах в условиях неравно-компонентного их нагружения. При этом неизбежно возникает ряд специфических требований к материалу для изготовления образцов. Они связаны, прежде всего, с техническими возможностями стенда независимого нагружения, а также обусловлены стремлением обеспечить визуальный контроль характера разрушения стенок «скважины» вследствие гидроразрыва. Основные требования сформируем следующим образом: материал образцов должен иметь прочность на разрыв не более 50 МПа; быть «прозрачным»; позволять в короткие сроки изготавливать либо восстанавливать образцы в лабораторных условиях; иметь низкую стоимость.
Надо отметить, что традиционно модельные образцы изготавливают из по-лиметилметакрилата (оргстекло). Однако данный материал дорогой, образцы трудоемки в изготовлении. При этом они пригодны для одноразового использования. В состоянии поставки крупноблочное оргстекло представляет собой набор пластин толщиной порядка 50 мм, склеенных между собой. Наличие плоскостей склея может повлиять на ориентацию трещин гидроразрыва.
С учетом совокупности обозначенных требований рассмотрена группа различных материалов: оргстекло, канифоль, гипс, ряд полиэфирных смол и жидкое стекло. Некоторые физико-механические свойства опробованных материалов приведены в таблице.
Физико-механические свойства материалов для модельных образцов
Наименование [а] , МПа -"сж' [а] , МПа -"рас' Е, ГПа Примечание
Оргстекло 80-120 22-31 3
Канифоль 1,5 — 0,2
Акриловый гипс, белый (Экорезин) 12,6 - 5
Смола ЭД-20 98 51 3,4 Отвердитель 1/5
Смола ЭД-20 107 35 4,2 Отвердитель 1/8
Смола полиэфирная НС- 113(АФ5) с пластификатором 20 % - 50 2
В результате сопоставительного анализа различных вариантов предложено использование модельных образцов составного вида (рис. 1). Технология их изготовления следующая. Вначале из гипса акрилового (Экорезин) отливается обойма размером 200 х 200 х 200 мм (рис. 1, а). Габариты обоймы соответст-
вуют размерам рабочей зоны стенда. После отвердевания гипса по центральной оси обоймы высверливается цилиндрическая полость диаметром 100 мм. В другом варианте эта полость формируется в процессе отливки. Затем полость заполняется жидкой смолой (рис. 1, б), которая после полимеризации образует монолитное соединение с обоймой. Таким образом, получается составной образец из «прочной» обоймы с «прозрачной» вставкой. Процесс изготовления образца завершается высверливанием по оси вставки измерительной «скважины» диаметром 12 мм.
Получено аналитическое решение задачи о напряженно-деформированном состоянии составного образца, позволяющее рассчитывать напряжения во вставке в зависимости от величины нагрузки, приложенной к граням обоймы, с учетом физико-механических свойств материалов вставки и обоймы.
Рис. 1. Составной модельный образец:
а) матрица для отливки обоймы; б) общий вид составного образца; в) цилиндрические вставки из эпоксидных смол ЭД-20 (слева) и НС 113 (АФ5) (справа)
Процедура выполнения модельных экспериментов предусматривает выполнение следующих операций: подготовка модельного образца; установка образца на стенд; размещение в измерительной «скважине» зонда; приложение к граням образца внешних нагрузок; подключение зонда к системе подачи рабочего флюида; выполнение теста гидроразрыва стенок измерительной «скважины» с регистрацией диаграммы давление - время. Система управления работой гидравлических домкратов стенда, с помощью которых производится приложение к граням модельных образцов внешних усилий, приведена в [6]. Для подачи под давлением рабочего флюида к скважинному зонду и регистрации экспериментальных данных реализована дополнительная система устройств (рис. 2), в которой канал подачи флюида к зонду выполнен в виде жесткого трубопровода. В качестве флюида применен глицерин ГОСТ 6259-75.
Для выполнения тестов гидроразрыва изготовлены макетные образцы скважинных зондов - односторонний и двухсторонний (рис. 3, 4). Зонд односторонний предназначен для применения в глухих, а двусторонний - в сквозных «скважинах».
Рис. 2. Система подачи рабочего флюида к скважинному зонду: 1 - модельный образец; 2 - скважинный зонд; 3 - жесткий трубопровод; 4 - ПК; 5 - устройство преобразования и передачи данных; 6 - датчик давления МИДА-ПИ-5.1; 7 - адаптер; 8, 11 - краны запорные; 9 - пресс-расходомер; 10 - контрольный манометр; 12 - емкость с глицерином
Рис. 3. Зонд односторонний: 1 - центральный полый стержень; 2 - полиуретановые пакеры; 3 - втулки; 4 - корпус; 5 - ниппель входного канала
Ш\4' "^Т
4312535 7 535 12346
Рис. 4. Зонд двусторонний:
1 - центральный полый стержень; 2 - нажимные пружины; 3 - втулки; 4 - гайки; 5 - полиуретановые пакеры; 6 - ниппель входного канала; 7 - втулка межпакерно-го интервала с отверстиями
Герметизация интервала «скважины» при гидроразрыве достигается с помощью нажимных полиуретановых пакеров. В двустороннем зонде предусмотрена возможность регулировать протяженность межпакерного интервала путем сменных втулок 7 (рис. 4) в пределах 1-3 диаметров «скважины». Конструкции зондов отработана в процессе выполнения тестов гидроразрыва в модельных образцах из оргстекла (рис. 5).
Таким образом, освоение технологии «быстрого» изготовления модельных образцов из доступных материалов, а также наличие надежного инструментария для осуществления тестов гидроразрыва в лабораторных условиях (сква-жинные зонды, система подачи рабочего флюида к зондам с регистрацией диаграммы давление - время) открывает возможность выполнения массовых экспериментов по физическому моделированию процесса гидроразрыва при различных схемах неравнокомпонентного нагружения модельных образцов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-01282).
1. Joong-Ho Synn, Chan Park, Yong-Bok Jung, Choon Sunwooatc. Integrated 3-D stress determination by hydraulic fracturing in multiple inclined boreholes beneath an underground cavern // International Journal of Rock Mechanics & Mining Science 75 (2015), pp. 44-55.
Рис. 5. Модельный образец с трещинами после гидроразрыва при использовании двустороннего зонда: 1-4 - номера «скважин»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
2. Reza ZIAIE MOAYED, Ehsan IZADI, Mohsen FAZLAVI. In-situ stress measurements by hydraulic fracturing method at Gotvand Dam site, Iran // Turkish J. Eng. Env. Sci. 36 (2012), pp.179-194.
3. Oldenburg C. M., Dobson P. F., Wu Y., Cook P. J. etc. Hydraulic Fracturing Experiments at 1500 m Depth in a Deep Mine: Highlights from the kISMET Project // Proceeding 42d Workshop 0n Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, February 13-15, 2017 SGP-TR-212.
4. Сердюков С. В., Курленя М. В., Патутин А. В. К вопросу об измерении напряжений в породном массиве методом гидроразрыва // ФТПРПИ. - 2016. - № 6. - С. 6-14.
5. Леонтьев А. В., Скулкин А. А. Об использовании метода гидроразрыва при контроле действующих напряжений в соляном массиве // Вестник КРСУ. - 2017. - Т. 17, № 1. -С. 188-190.
6. Рубцова Е. В. Стенд трехосного независимого нагружения для физического моделирования процесса измерительного гидроразрыва // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 211-216.
© А. В. Леонтьев, 2018
