книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

5

Рис. 4.38. Кривые До,— е,, отражающие процесс циклического нагружения и деформации образца мрамора при о 2 = 150 МПа (а), и кривые изменения ско­ рости распространения упругой волны в образце при данном виде нагруже­ ния (б).

образец не извлекался из камеры и не протачивался по диаметру. В процессе опыта замерялась скорость V распространения упругой волны в образце. Кривые, отражающие характер изменения скоро­ сти V в каждом цикле, показаны на рис. 4.38, б. Нижние части кривых, лежащие под горизонтальной осью, отражают действие гидростатического давления о 2, верхние части — действие осевой нагрузки Д о ,. Из графиков видно, что: 1) необратимая деформа­ ция приводит к снижению значения V; 2) в результате необрати­ мой деформации при сбросе о 2 скорость V падает быстрее, при-

301

чем чем больше величина предварительной необратимой деформа­ ции, тем стремительней падение скорости; 3) возвращение образ­ ца в каждом последующем цикле в напряженное состояние, с кото­ рого начинался процесс разгрузки в предыдущем цикле (точки 1—4), практически восстанавливает значение скорости V, что свидетельствует о приведении в прежнее состояние структуры ма­ териала. Примерно такая же картина наблюдается в аналогичных опытах с регистрацией электрического сопротивления (рис. 4.39). Эксперименты проведены на известняке при уровне гидростатиче­ ского давления а 2 = 100 МПа.

Рис. 4.39. Кривые До,— £,, отражающие процесс циклического нагружения и деформации образца известняка при о 2 = 100 МПа (а), и кривые изменения электрического сопротивления в образце при данном виде нагружения (б).

302

Важный вывод, который можно сделать по результатам данных исследований, состоит в том, что горные породы, испытавшие предварительную необратимую деформацию, в результате декомп­ рессии сильно меняют свою структуру и свойства. Причем степень этих изменений зависит от величины предварительной необрати­ мой деформации. Помещение породы в условия глубин, откуда она была извлечена, в значительной степени восстанавливает ее исходные (до декомпрессии) характеристики.

4.5. Экспериментальное изучение фильтрационных процессов при гидроразрыве

В настоящем разделе кратко изложена методика исследования параметров гидроразрыва (в том числе фильтрационных процес­ сов в стенки скважины и в развивающуюся трещину) в лаборатор­ ных условиях. Эффективность разрушения горной породы мето­ дом гидроразрыва определяется гидравлическими потерями, кото­ рые сопровождают этот процесс. Эти потери связаны: 1) с фильтрационными утечками рабочей жидкости в стенки скважины при создании в ней необходимого давления; 2) с заполнением объ­ ема раскрывающейся трещины рабочей жидкостью; 3) с фильтра­ цией в породу через ее берега; 4) с упругой деформацией самой скважины под давлением рабочей жидкости. Доля каждого из пе­ речисленных видов потерь в общем балансе зависит от многих факторов, в частности, от величины давления гидроразрыва, от фильтрационных свойств пород, от проникающей способности рабочей жидкости в породу, от скорости создания давления в сква­ жине и др. Задача настоящей работы состояла в лабораторном мо­ делировании различных условий гидроразрыва на разных породах и определении баланса гидравлических потерь. Для оценки эф­ фективности различных вариантов гидроразрыва баланс гидравли­ ческих потерь представлялся в следующем виде:

vo6a =vt+v%+vtp+va,

где V *, — объем фильтрационных утечек через стенки скважины; V* — объем фильтрационных утечек через берега трещины; V — объем жидкости, заполняющей трещину; Va — объем, свя­ занный с упругой деформацией скважины. Поскольку задача гид­ роразрыва состоит в создании трещины, то потери, связанные с ее заполнением рабочей жидкостью V^, во всех случаях неизбежны. Поэтому целесообразно все остальные виды потерь рассматривать в сравнении с этим видом, причем последний можно принять за единицу.

зоз

Экспериментальные исследования проведены при участии Хо Гуаи Синя (Китай). Схема установки и образца показаны на рис. 4.3, а. Образец представляет собой толстостенный цилиндр с осевым сквозным отверстием (скважиной). В верхний и нижний концы скважины вклеены эпоксидной смолой стальные пакеры, которые соединены со штоком камеры и с подпятником. По на­ ружной поверхности образец гидроизолирован от среды, создаю­ щей боковое давление в камере. В образце можно создавать вид напряженного состояния типа <т, = о 2 = <5Ъили о , > а 2 = о 3. Для создания давления и исследования фильтрационных и дефор­ мационных процессов в скважине используется приспособление в виде шприца. Опыт проводится следующим образом. С помощью насоса 12 вся гидравлическая система наполняется рабочей жид­ костью, вытесняя при этом через открытый кран 15 имеющийся в скважине и в системе воздух. Затем после перекрытия кранов 14 и 15 перемещением поротая 7 за счет сжатия жидкости в системе осуществляется поднятие давления в скважине. Уровень создавае­ мого давления регистрируется с помощью датчика 23. Шприц обеспечивает любую программу создания давления в системе, на­ пример плавный или ступенеобразный рост давления, при необхо­ димости сброс давления и т. д.

Вся гидравлическая система создания давления в скважине вы­ полнена в относительно жестком варианте. В ней сокращены до ми­ нимума все паразитарные объемы, в которых помимо скважины со­ держится рабочая жидкость (флюид) под давлением. Капиллярные магистрали имеют минимальную протяженность. Объем шприца в эксперименте также подбирается минимальным,достаточным лишь для обеспечения возможности создания необходимого для гидрораз­ рыва давления и компенсации фильтрационных утечек. Усилие для перемещения поршня 7 создается в этих случаях не гидравликой, а механической системой. Для этого вместо поршня 9 в шприце уста­ навливается винт. Данная особенность установки вызвана стремле­ нием сведения до минимума запаса упругой энергии, аккумулиро­ ванной в объеме сжатой жидкости, с целью обеспечения управляе­ мого режима развития трещины пздроразрьша.

Размеры и форма образцов практически в любого рода исследо­ ваниях влияют на конечные результаты и на возможность обобще­ ния и использования их для решения практических задач. В дан­ ной работе этому вопросу также было уделено соответствующее внимание, в частности, в связи с выбором минимально допустимо­ го соотношения между диаметром образца D и диаметром скважи­ ны d, а также минимального расстояния между пакерами, опреде­ ляющего длину открытой скважины.

Поскольку исследуемые образцы представляют собой толсто­ стенные цилиндры, нагружаемые внутренним и внешним давле-

304

Лер. М Па

Рис. 4.40. Характер изменения критического (разрушающего) внутреннего дав­ ления в толстостенном цилиндре от соотношения наружного D и внутрен­ него d диаметров, определяемый формулой Ляме (а), и аналогичная экспери­ ментальная зависимость для толстостенных цилиндров из оргстекла (б).

нием, при выборе оптимального соотношения D/d опирались на результаты исследований Ляме [12]. На рис. 4.40, а изображен график, построенный на основании расчетной формулы Ляме и отражающий характер изменения уровня критического (разруша­ ющего) значения внутреннего давления Р в толстостенном ци­ линдре от соотношения D/d. Пунктиром обозначено предельное значение этого давления. На рис. 4.40, б показан аналогичный экс­ периментальный график, полученный авторами при разрушении внутренним давлением цилиндров из оргстекла. На основании этих зависимостей в экспериментах использовали образцы с соотноше­ ниями D/d > 6, соответствующими горизонтальному участку этих зависимостей.

Выбор соотношения l/d (где I — расстояние между пакерами; d — диаметр скважины) основывался на экспериментальной зави­ симости Р1р— l/d (рис. 4.41), полученной для образцов из мрамо­ ра. При диаметре скважины б мм (такой размер имели все образ­ цы, результаты испытания которых приведены дальше) расстоя­ ние между пакерами должно составлять не менее 20 мм. Опыт

305

также показал, что для предотвращения выхода трещины гидро­ разрыва на торцевую поверхность образца расстояние от торца пакера до торца образца должно быть не меньше расстояния от стен­ ки скважины до наружной цилиндрической поверхности образца.

При исследовании фильтрационных процессов, имеющих место при проведении гидроразрыва, основным измерительным инстру­ ментом в данной установке является шприц. Для исключения по­ грешностей, связанных со сжимаемостью флюида, при измерении его объемов, фильтруемых в стенки скважины и развивающуюся трещину, вся гидравлическая система предварительно тарируется на сжимаемость рабочей жидкости. Тарировка осуществляется с использованием стального образца с размером скважины, точно повторяющим размер скважины в исследуемых породных образ­ цах, и заключается в получении зависимости давления Р, созда­ ваемого в гидравлической системе (рис. 4.2) при перемещении поршня 7, от изменения объема ДУсж этой системы (объем измеря­ ется датчиком 14). Пример таррировочных графиков, полученных на воде (1) и глицерине (2), показан на рис. 4.42. Общий объем

ДКСЖ, см3

Рис. 4.42. Типичные тарировочные графики сжимаемости рабочей жидкости в системе, полученные на воде (7) и глицерине (2).

гидравлической системы при крайнем (исходном) положении поршня, в котором происходит поднятие давления, в данном слу­ чае был равен 4.2 см 3. Зависимости имеют нелинейный участок при малых давлениях. Это вызвано тем, что при наполнении сис­ темы жидкостью в ней остается какой-то объем воздуха. С повы­ шением давления воздух сжимается и практически перестает вли­ ять на характеристику ДУСЖ—Р для рабочей жидкости. Для полно­ го удаления воздуха из системы необходимо осуществлять ее предварительное вакуумирование. В данных экспериментах эта операция не проводилась. Поскольку начальный объем системы в зависимости от цели эксперимента варьировался в пределах объе­ ма шприца, то для каждого конкретного опыта снималась своя тарировочная зависимость AVCX—Р.

При изучении фильтрационных процессов при гидроразрыве наиболее информативным является режим ступенеобразного повы-

306

^общ» CM

Рис. 4.43. Типичные кривые, регист­ рируемые в эксперименте, которые отражают связь между давлением Р в системе и объемом V подаваемой в образец жидкости ( а ) и объемом V и временем t процесса (б). На диа­ грамме (в ) изображена зависимость Кбщ—Р* полученная в результате

обработки диаграммы а .

шения давления в системе. На рис. 4.43 изображены типичные кривые, регистрируемые при проведении эксперимента. Цифрой 1 на рис. 4.43, а обозначена тарировочная кривая сжимаемости, ана­ логичная рассмотренной выше; кривая 2 отражает связь между объемом V флюида, подаваемым в систему с реальным образцом, и величиной давления Р. На рис. 4.43, б показана зависимость объе­ ма V от времени. На каждой ступени давление в системе поддер­ живается постоянным до стабилизации процесса фильтрации. Эта стабилизация выражается либо в прекращении фильтрации, что может иметь место на начальных этапах повышения давления в системе, либо в достижении устойчивой фильтрации с постоянным расходом. Постоянство давления в системе обеспечивается с по­ мощью шприца автоматически, скорость перемещения поршня при этом отражает интенсивность протекания фильтрационных процессов.

Разница в показаниях между зависимостями 1 и 2 представляет собой общий (суммарный) объем флюида Уобщ, который складыва­ ется из объемов, израсходованных на фильтрацию в стенку сква­

307

жины, заполнение развивающейся трещины разрыва, фильтрацию в стенки трещины, упругую деформацию скважины с ростом дав­ ления в системе. Следует подчеркнуть, что объем V ^ , определяе­ мый как разница между показаниями кривых 2 и 1, при увеличе­ нии давления в системе получается с учетом эффекта сжатия флю­ ида, а при уменьшении давления (с переходом кривой 2 через максимум) — с учетом эффекта его упругого расширения. Пример зависимости У0бщ— Р, полученной после обработки кривых на рис. 4.43, а, показан на рис. 4.43, в. Ниже показано, как в экспе­ риментах осуществляется определение доли каждого из перечис­ ленных слагаемых общего объема гидравлических потерь при гид­ роразрыве.

Интенсивность процесса фильтрации при осуществлении гидро­ разрыва, а следовательно, и связанные с этим гидравлические по­ тери зависят как от свойств породы, так и от свойств рабочей жид­ кости. Поэтому для получения наиболее полной картины развития фильтрационных процессов при гидроразрыве необходимо иметь возможность варьировать интенсивность фильтрационных утечек, используя для этой цели как породы с различными фильтраци­ онными свойствами, так и жидкости с разной способностью про­ никновения в породу. В данной работе представлены результаты исследований, проведенных на образцах мрамора и гранита. В ка­ честве материала для получения образцов с нулевой проницае­ мостью использовали оргстекло. Значения коэффициента прони­ цаемости Кфу модуля упругости Е, прочности на одноосное сжатие а сж и растяжение <тр для мрамора, гранита и оргстекла представ­ лены в табл. 4.4.

В качестве рабочей жидкости применялась вода, минеральное масло и глицерин. Показатели вязкости этих жидкостей в указан­ ной последовательности имеют следующие значения: 0.001; 0.027; 0.38 (р, Па • с).

Для выявления составляющих фильтрационных потерь на раз­ ных стадиях развития процесса гидроразрыва применялись раз­ личные методические подходы.

1.Велось наблюдение за совокупным фильтрационным потоком

вматериал через стенки скважины и поверхности трещины на протяжении всего процесса гидроразрыва.

308

2.С целью выделения из общего фильтрационного потока части, фильтруемой только через берега развивающейся трещины, приме­ нялась следующая методика. Ствол скважины покрывался гидроизо­ ляционным слоем (эпоксидной смолой), исключавшим процесс фильтрации через стенки скважины. В этом случае фильтрацион­ ные потери возникали только с момента раскрытия трещины и были целиком связаны с процессом ее формирования и развития.

3.Поскольку потери жидкости при развитии трещины связаны не только с фильтрацией, но и с процессом раскрытия трещины, сопровождающимся увеличением ее объема, то с целью разделе­ ния этих потерь был применен следующий методический прием. Гидроразрыву подвергались образцы из оргстекла, в которых пол­ ностью исключены фильтрационные потери. Регистрация измене­ ния давления в системе и перемещения поршня шприца по мере развития трещины позволяли оценить объем жидкости, поглощае­ мый трещиной. Благодаря прозрачности образцов можно было осуществлять замеры площади трещины и рассчитывать величину раскрытия ее берегов. Поскольку в экспериментах образцы поро­ ды и оргстекла имели одинаковые размеры, то с определенной до­ лей достоверности можно считать, что потери, связанные с запол­ нением жидкостью объема трещины, во всех образцах одинаковы.

4.Величина гидравлических потерь, вызванных упругой дефор­ мацией ствола скважины, замерялась в условиях гидроизоляции скважины и контролировалась расчетным методом.

Ниже приведены отдельные результаты экспериментального определения параметров гидроразрыва, которые раскрывают ме­ тодику исследований и дают представление о возможностях ис­ следовательской аппаратуры.

На рис. 4.44 приведены диаграммы —Р и — t, получен­ ные при гидроразрыве одного из образцов мрамора с размерами D/d = 90/6 мм. В качестве рабочей жидкости использовалась вода. На графике —t на разных стадиях нагружения указаны вели­ чины фильтрационных расходов. Мрамор является довольно хоро­ шо проницаемой средой для воды. С ростом давления Р в скважи­ не фильтрационный поток в породу усиливается. Бели при низких уровнях давления фильтрация носит затухающий характер, то при давлениях свыше 2 МПа за те же промежутки времени фильтра­ ция выходит на установившийся режим. На рис. 4.45, а показано поперечное сечение рассматриваемого образца с окрашенной зо­ ной фильтрации (в опыте использовали подкрашенный флюид), которая помогает провести анализ фильтрационного процесса при гидроразрыве для данного случая.

До давления в 4 МПа процесс фильтрации осуществлялся толь­ ко через стенки скважины. Общий объем поглощенной образцом жидкости при этом составил 0.17 см 3. При Р - 4 МПа начался

309

^Общ. см3

К э б щ ’ СМ

Рис. 4.44. Диаграммы — Р ( а ) и — t ( б ) , полученные при гвдроразрыве одного из образцов мрамора с размерами D i d = 90/6 мм. В качестве рабочей жидкости использовалась вода.

процесс формирования трещины разрыва, о чем в эксперименте свидетельствовало возбуждение активности датчиков акустиче­

6 • 10"4 см3/с. При предельном уровне давления Ргр расход состав­ лял 15 • К)"4 см 3/с (участок 7—8 на кривой V—/). Далее развитие трещины сопровождалось снижением давления в системе. Расход при этом увеличился до Q = 38 • Ю'4 см 3/с. Управляемый характер развития трещины удалось поддерживать до участка 9. Вид пятна фильтрации на рис. 4.45, а свидетельствует о равномерном тече­ нии фильтрационного процесса через берега трещины при сохра­ нении ее размера. По геометрии фильтрационного пятна и графи­ кам на рис. 4.44 можно оценить характер изменения расхода филь­ трационного потока с изменением давления рабочей жидкости в скважине. На рис. 4.46 показан построенный по этим данным гра­

310