книги из ГПНТБ / Медведев, И. И. Газовыделения на калийных рудниках

В образец, помещаемый в условия всестороннего сжатия, с одной стороны производится нагнетание жидкости до его разру­ шения трещинами и выхода жидкости с противоположной сто­ роны, сообщающейся с атмосферой. Если в течение определенного времени разрушение не произошло, нагнетание прекращается, а образец испытывается на сжатие. Если образец разрушился, приступают к изучению и описанию характера разрушения.

При выборе рабочей жидкости учитывали ее фильтрационные свойства, зависящие от смачивающей способности и вязкости, растворяющую способность, наличие воды в достаточном коли­ честве и стоимость в шахтных условиях. Наиболее распространен­ ные и дешевые жидкости — вода, а для калийных рудников — рассолы (насыщенные при данной температуре растворы калий­ ных солей в воде). Сравнительная характеристика интересующих нас свойств воды и рассолов: вязкость воды в большинстве слу­ чаев (за исключением однородных растворов КС1 в воде) меньше вязкости рассолов; вода легко растворяет, а следовательно и хорошо смачивает поверхность калийной соли, тогда как рассол не должен оказывать растворяющего воздействия, а также хуже смачивать соль.

Такая сравнительная характеристика свойств выбранных жидкостей недостаточна для того, чтобы отдать предпочтение одной из них, так как она не позволяет оценить количественное влияние этих свойств на ослабление прочности соли. Кроме того, существующая технология добычи калийных солей не допускает применения воды, в связи с чем на калийных рудниках нет водо­ проводов. Тем не менее для исследования были приняты вода, поскольку ее свойства предпочтительны, и рассолы, часто имею­ щиеся на калийных рудниках.

Вопросам моделирования образования трещин гидровзрыва посвящены работы многих авторов. Условия подобия при модели­ ровании Ю. П. Желтовым [11] выведены исходя из физических представлений о механизме гидравлического разрыва. Параметры подобия установлены из уравнений теории гидроразрыва.

Для того чтобы процессы трещинообразоваиия в модели и на­

где у — объемный вес пород; Н — глубина залегания; Q — расход жидкости; ц — вязкость жидкости; уН — величина горного

130

давления; k — коэффициент фильтрации; Е — модуль упругости; L — длина трещин.

Создавая в эксперименте все условия, аналогичные натуре: применение тех же рабочих жидкостей, использование естествен­ ных 'калийных пород (/гы= /гм, Еп = Ем) , создание давления на образец, соответствующее глубине разработки (уНа = уНм), полу­ чим соответствие длины трещин в натуре и модели (LU= Lм).

Исходя из главной цели исследования метода нагнетания для борьбы с внезапными выбросами при разработке карналлитового пласта для экспериментов были приняты образцы карналлита. Невысокая прочность, гигроскопичность, химическая неустойчи­ вость карналлита, трудности в изготовлении и хранении его об­ разцов ограничивали объем эксперимента. Поэтому испытания проводились и на сильвинитовых образцах. При этом имелось в виду, что качественная картина разрушения калийных горных по­ род при нагнетании, по-видимому, должна быть одинаковой и в дальнейшем возможно применение метода нагнетания и на силь­ винитовых пластах.

Исследования проводились на образцах выбросоопасного слоя карналлитового пласта В6 и сильвинитового пласта Красного II. С точки зрения физико-химического взаимодействия жидкости с поверхностью размер образцов не имел значения. Если же рас­ сматривать данный процесс разрушения как один из видов испы­ тания на механическую прочность, то для получения данных о

Образцы карналлита были взяты из двух мест: первая проба — в месте расширения шестого слоя, вторая — в месте его утонения, так как, по данным работы [6], прочность карналлита в этих местах различна.

Образцы испытывались на стотонном гидравлическом прессе. Время нагружения образца находилось в пределах 60±10 с. Испы­

ваны при изучении процесса нагнетания. Сжатию было под­ вержено 10 образцов, 6 из которых были обработаны на шлифо­ вальном станке, а 4 — ручной ножовкой.

Предел прочности на сжатие по первым шести образцам со­ ставил Стсж = 344 кгс/см2, по вторым четырем образцам 0Сж = = 313 кгс/см2. Образцы худшей обработки дали меньшее значение предела прочности, по-видимому, потому, что фактическая пло­ щадь соприкосновения поверхности образца с прессом оказывает­ ся несколько меньшей, чем принималась при подсчете.

Лабораторная установка состояла из насоса ГА-364, высоко­ напорного трубопровода и камеры, в которую помещался испы­ туемый образец с длиной ребра 0,05 м. В камере конструкции

ПермНИУІ'І с помощью зажимного устройства создавались усло­ вия объемного сжатия (рис. 50).

Со стороны нагнетательной трубы в стальном корпусе и рези­ новом вкладыше имеется отверстие диаметром 0,006 м, через ко­ торое жидкость воздействует на образец; с противоположной сто­

го зажатия образца. В центре одной из шести стенок камеры име­ ется отверстие с резьбой для ввинчивания гидрозатвора. Гидрозатвор с помощью высоконапорного шланга соединяется с нагне­ тательным трубопроводом.

Давление зажатия образцов составляло 60—70 кгс/см2, что со­ ответствует глубине залегания пласта 240—280 м при среднем объемном весе вышележащих пород 2,5 тс/м3. Давление зажатия больших образцов не замерялось.

При испытании больших образцов нагнетание производилось в «шпуры», пробуренные в образцах электродрелью. В образце в зависимости от его размеров бурился один или два шпура диа­ метром 11 —12 мм на глубину, равную 2/3 длины параллельной шпуру грани образца. Шпур герметизировался на половину длины

132

Поскольку подобного рода эксперименты для калийных пород не проводились, значения вариационного коэффициента и показа­ теля точности неизвестны. Считая данные опыты своего рода испытаниями образцов на прочность, приняли вариационный ко­ эффициент равным 20% и показатель точности 10%. Необходимое число опытов 4.

Давление, при котором должно было производиться нагнета­ ние, устанавливалось заранее. Нагнетание велось параллельно или перпендикулярно напластованию. При каждом значении давления и определенном напластовании испытывали по 4—6 об­ разцов. Фиксировалось время и давление нагнетания. На экране осциллографа наблюдался процесс изменения напряжений в об­ разце при нагнетании. Нагнетание велось до разрушения образца, о чем свидетельствовал выход жидкости с противоположной сто­ роны образца, резкий спад давления по манометру и напряжений в образце по осциллографу. Если в течение 3 мин образец не разрушался, нагнетание прекращалось. В этом случае при отсутствии малейших признаков разрушения образец подвергался испытанию на сжатие.

Испытано всего более 170 образцов, из них около ПО — при нагнетании воды и около 60 — при нагнетании рассола.

При нагнетании воды отдельные трещины в образцах начинали появляться уже при давлении 50 кгс/см2. По-видимому, это нижний предел давления, необходимый для разрушения наименее прочных связей в сильвините. При таком давлении разрушилось полностью 30% образцов.

При повышении давления нагнетания интенсивность разруше­ ния образца увеличивалась — увеличивалось число трещин. Визу­ альный осмотр показал, что разрушение идет всегда по плоскостям спайности между кристаллами. Часто происходил отрыв отдель­ ных кристаллов и сростков нескольких кристаллов по поверхности трещин. Разрушенных, раздавленных кристаллов не наблюдалось. Округленность граней и углов кристаллов свидетельствовали о том, что за короткое время разрушения образца, измеряющееся секундами, успевало проявиться растворяющее действие воды. Ширина трещин достигала нескольких миллиметров.

При увеличении давления нагнетания увеличивалась также ско­ рость образования трещин, т. е. уменьшалось время разрушения образца или, что то же самое, время нагнетания (рис. 51). При давлениях воды выше 100—120 кгс/см2 образец разрушался прак­ тически мгновенно. Коэффициент корреляции, подсчитанный по этим данным, равен 0,7, ошибка коэффициента корреляции ±0,1, его достоверность 7, что подтверждает наличие отрицательной линейной корреляционной связи между давлением воды и време­ нем разрушения образцов.

133

Преимущественного развития трещин по напластованию не от­ мечено; обычно трещины пронизывали образец в самых различных

раствор карналлита в воде плотностью 1210 кг/м3 со следующим

В результате нагнетания рассола было установлено, что ха­ рактер разрушения образцов водой и рассолом различен. Образо­ вание трещин при нагнетании рассола начинается при давлении приблизительно 80 кгс/см2. Интенсивность разрушения с увеличе­ нием давления увеличивалась, но оставалась меньшей, чем при таких же давлениях воды. Трещины в разрушенных рассолом об­ разцах настолько тонки, что часто неразличимы. Осциллограф часто не фиксирует уменьшения напряжений в образце при его разрушении или фиксирует очень незначительное их уменьшение. Образец разделяется на части по образовавшейся трещине только при простукивании образца, а иногда при разделении его острым тонким предметом.

По данным этих исследований была подсчитана энергоемкость разрушений. Различие в энергоемкости разрушения образцов при нагнетании воды и рассола показано на рис. 53.

134

Рис. 52. Характер разрушения кубических образцов сильвинита с ребром длиной 5 см при нагнетании воды в направлении:

я — параллельном напластованию; 6 — перпендикулярном напластованию

135

Оставшиеся неразрушенными после нагнетания воды и рас­ сола образцы были испытаны на сжатие (табл. 16).

Все образцы после нагнетания воды имели пониженную проч­ ность. Особенно большое понижение прочности показали образцы, подвергшиеся более длительному воздействию воды по Сравнению с другими (образец 47) или более высокому давлению (обра­ зец 59). Снижение прочности без видимых признаков разрушения

полученных при испытании образцов малых размеров, были про­ ведены опыты по нагнетанию в образцы больших размеров. Ввиду того что при испытании образцов малых размеров значительно больший эффект разрушения был получен при нагнетании воды, образцы больших размеров испытывались только при нагнетании воды. Давление нагнетания заранее не устанавливалось, омо до­ стигало в каждом случае предельной величины, при которой про­

разрыв.

Поскольку разрушение образцов больших размеров велось всегда при критическом давлении, скорость образования трещин была несколько большей, чем показано на рис. 51. Время разру­ шения больших образцов не замерялось. Оно соответствовало времени разгона насоса до величины критического давления, при

136

котором разрушение происходило практически мгновенно, и со­ ставляло 1—2 с.

Т а б л и ц'а 16

Н е о с л а б л е н н ы е о б р а з ц ы

Характер разрушения образцов больших размеров при нагне­

тании показан на рис. 54.

Опыты по нагнетанию воды в эти образцы подтвердили полу­ ченные при испытании малых образцов данные по величине давле­ ния и характеру их разрушения. В результате обработки данных получено, что среднее арифметическое величины критического давления составляет (85 ±5) кгс/см2, вариационный коэффи­

циент 29 %•

137

Рис. 54. Характер разрушения образцов сильвинита боль­ ших размеров при нагнетании;

а — и одни шпур; б — в два шпура

338

Поскольку большинство закономерностей разрушения сильвииптовых образцов можно распространить и на карналлит, опыты по разрушению образцов карналлита при нагнетании б о д р я и рас­ сола проводились в основном с целью установления величины кри­ тического давления. Испытания карналлитовых образцов подтвер­ дили большое различие в характере разрушения при нагнетании воды и рассола. Так, образцы, разрушенные водой, распадались на куски различной величины и их часто невозможно было собрать снова в образец, чтобы увидеть расположение трещин; поверх­ ности трещин были обмыты, сглажены (рис. 55, 56).

Образцы, разрушенные рассолом, внешне часто казались це­ лыми. При внимательном осмотре на поверхности образца обна­ руживалась волосяная трещина. Для того чтобы проследить на­ правление трещины, по направлению ее плоскости вставляли острый предмет типа ножа и слегка постукивали по нему.

Эти опыты позволили установить еще один существенный фак­ тор, позволяющий объяснить различие в разрушении калийных солей при нагнетании воды и рассола.

По-видимому, при нагнетании рассола за короткое время раз­ рушения образца рассол не успевает проникнуть по всей площади поверхности трещин и сколько-нибудь расширить их из-за давле­ ния внутри трещины. Причиной этому может служить низкая по сравнению с водой проникающая способность рассола, являющая­ ся следствием некоторых его свойств: значительно меньшая сила физико-химического взаимодействия рассола с поверхностью ка­ лийных пород, плохая смачиваемость их рассолом, т. е. большее сопротивление поверхностей трещин движению, а также большая вязкость рассола, т. е, меньшая по сравнению с водой его подвиж­ ность.

Обобщение результатов эксперимента дано в табл. 17. Известно, что указанные свойства жидкости влияют на фильт­

рацию и распространение жидкости в массиве.

Смачивание — процесс, всегда предшествующий растворению. Поэтому природные калийные соли, как и все вещества, хорошо растворяющиеся в воде, абсолютно гидрофильны. Поверхность соли с огромной скоростью адсорбирует воду, а в полимолекулярном адсорбционном слое воды начинает растворяться. Благодаря интенсивному физико-химическому взаимодействию молекулы воды будут проникать в массив соли через все дефекты макро- и микро­ структуры, т. е. будет происходить быстрое распространение воды в массиве. Этот процесс в первую очередь объясняет высокую про­ никающую способность воды в микротрещины соляных пород.

Насыщенный раствор данной соли в воде — рассол — не растворяет ее. Это говорит об уменьшении физико-химического взаимодействия поверхности соли с рассолом и характеризует

139