CC BY
75
УДК 622.02:531
СТЕНД ТРЕХОСНОГО НЕЗАВИСИМОГО НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА
Екатерина Владимировна Рубцова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
В статье описана конструкция стенда, предназначенного для выполнения тестов измерительного гидроразрыва в модельных образцах размерами 200 х 200 х 200 мм при их неравнокомпонентном нагружении. Обозначены задачи предстоящих исследований на стенде.
Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, физическое моделирование, стенд, скважина, трещина, давление, оценка напряженного состояния.
THREE-AXIAL INDEPENDENT LOADING BENCH FOR PHYSICAL MODELING OF HYDRAULIC FRACTURING FOR STRESS MEASUREMENT
Ekaterina V. Rubtsova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
The paper describes the test bench for implementation of hydraulic fracturing for measuring stresses in model specimens 200 х 200 х 200 mm exposed to nonequicomponent loading. Objectives of upcoming bench testing are specified.
Key words: hydraulic fracturing for stress estimation, physical modeling, test bench, hole, crack, pressure, stress state assessment.
Метод классического измерительного гидроразрыва для оценки напряжений в массиве скальных горных пород известен с конца шестидесятых годов двадцатого века. К настоящему времени выполнен большой объем исследований, направленных на развитие методических подходов и создание технических средств для практической реализации метода, в том числе в ИГД СО РАН [1, 2]. Предложены модификации метода, в частности, так называемый «сухой» гидроразрыв, обеспечивающий оценку напряженного состояния проницаемых горных пород [3]. Вместе с этим в классическом измерительном гидроразрыве остаются вопросы, требующие дальнейших исследований, направленных, в первую очередь, на обеспечение достоверности метода.
Так, важным элементом методики измерительного гидроразрыва является выбор способа интерпретации экспериментальных данных гидроразрыва при определении компонент действующих в массиве напряжений. В классической схеме действующие в массиве напряжения оцениваются по давлению «запира-
ния» трещины гидроразрыва после прекращения подачи рабочей жидкости в межпакерное пространство и давлению открытия трещины при повторном нагружении. Точность определения этих давлений по экспериментальным диаграммам существенно влияет на достоверность метода.
Наиболее спорным остается вопрос об определении момента «запирания» («схлопывания») берегов трещины. В [4, 5] описываются способы, которые практики гидроразрыва используют для определения величины давления «запирания» трещины, констатируется, что известные способы основаны на теоретических моделях, ни одна из которых не является строго разработанной или проверенной, что подтверждает актуальность дальнейших исследований в этом направлении.
Решение вопросов повышения достоверности тестов измерительного гидроразрыва, в том числе, обоснование способов интерпретации экспериментальных данных, может осуществляться методом физического моделирования процесса гидроразрыва на модельных образцах с использованием макетов сква-жинных зондов. Для этих целей в лаборатории горной информатики ИГД СО РАН спроектирован стенд трехосного независимого нагружения (рис. 1).
Рис. 1. Стенд для физического моделирования процесса измерительного
гидроразрыва (проект)
Стенд смонтирован на плите 1 пресса ПГ 100 (рис. 2). Испытываемый образец 2 из полиметилметакрилата кубической формы размерами 200^200x200 мм с заранее выполненной скважиной, в которой предусмотрена установка макета зонда, располагается на подставке 3. Силовая рама, состоящая
из трех сопряженных рычагов 4, монтируется на платформе 5 с помощью болтов 6. В силовой раме расположены четыре гидравлических домкрата 7 (ДН10П10) грузоподъемностью 10 тс, предназначенные для сжатия образца по двум ортогональным направлениям в горизонтальной плоскости. Пятый домкрат 8 служит для нагружения образца по вертикальной оси. Усилия сжатия на образец передаются от домкратов через опорные площадки 9 и прокладки из фторопласта 10.
Рис. 2. Стенд в рабочем состоянии:
1 - плита пресса; 2 - образец кубической формы; 3 - подставка; 4 - рычаг;
5 - платформа; 6 - болт; 7, 8 - гидравлические домкраты; 9 - опорные площадки;
10 - прокладки из фторопласта
Для управления работой гидравлических домкратов, зонда в «скважине» и регистрации экспериментальных данных разработана схема, представленная на рис. 3. Данная схема позволяет переключением распределительных устройств и запорных кранов осуществлять независимое трехосное нагружение
образца и выполнять в нём тест гидроразрыва при помощи макета скважинного зонда. Для обработки и визуализации процесса изменения давления при выполнении гидроразрыва использованы устройство преобразования и передачи данных на основе унифицированных модулей ЛОУЛЫТЕС и программное обеспечение, разработанное в среде графического программирования «LabView» [5].
Рис. 3. Схема нагружения и регистрации экспериментальных данных: 1 - насос; 2 - краны запорные; 3, 4 - распределители; 5 - манометр; 6 -трубопроводы высоконапорные; 7 - домкраты; 8 - испытываемый образец; 9 - преобразователь давления МИДА-ДИ-5Ш; 10 - кабель связи; 11 - устройство преобразования и передачи данных;
12 - портативный компьютер
Реализованная конструкция стенда и система нагружения позволяют проводить тесты гидроразрыва в образцах из полиметилметакрилата при их нерав-нокомпонентном нагружении. Программа физического моделирования на стенде предусматривает на первом этапе: исследование и сравнительный анализ способов определения момента «запирания» («схлопывания») берегов трещины при одноосном, двухосном и трехосном нагружении образцов; выполнение тестов направленного гидроразрыва скважины с предварительно созданной на ее контуре зародышевой трещиной и оценку влияния параметров зародышевой трещины на достоверность оценки напряжений.
Результаты физического моделирования на стенде станут основой дальнейшего совершенствования разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв» [5], применяемого в настоящее время для оценки напряженного состояния горных пород в шахтных условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М.В., Леонтьев А.В., Попов С.Н. Развитие метода гидроразрыва для исследования напряженного состояния массива горных пород. // ФТПРПИ. - 1994. - № 1. -С. 3-20.
2. Рубцова Е.В., Скулкин А.А. Развитие методических основ измерительного гидроразрыва. / Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 5. - С. 188-191.
3. Павлов В.А., Янкайте А.В., Сердюков С.В. Развитие метода гидроразрыва применительно к оценке напряженного состояния проницаемых горных пород. // Горный информационно - аналитический бюллетень. - 2009. - № 12. - С. 248-255.
4. Aggson J. R., Kim K. Technical Note-Analysis of Hydraulic Fracturing Pressure Histories: A Comparison of Five Methods Used to Identify Shut-In Pressure. // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. - 1987. - Vol. 24, pp. 75-80.
5. Zhao J., Hefny A.M., Zhou Y.X. Hydrofracturing in situ stress measurements in Singapore granite. // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. -2005. - Vol. 42, issue 4, June, pp. 577-583.
6. Леонтьев А.В., Рубцова Е.В., Леконцев Ю.М., Качальский В.Г. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв». // ФТПРПИ. - 2010. - № 1. - С. 104-110.
© Е. В. Рубцова, 2015
