книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

таллическими пробками 9 с резиновыми кольцами 7, которые герме­ тично прижимаются к полиэтиленовой трубке втулками 5. Затем об­ разец крепится к штоку 3. Соединение пятачков 12 с подводящим и отводящим трубопроводами 10 осуществляется через конические сквозные отверстия, проделанные с наружной поверхности пятач­ ков, вкоторые вставляются конические выступы, расположенные на концах трубопроводов 10. Вдавливание конических выступов в от­ верстия осуществляется вместе с полиэтиленовой пленкой трубки б, в которой перед соединением прокалываются отверстия для обеспе­ чения беспрепятственной подачи (и отвода) флюида из трубопрово­ да к образцу. Герметизация конического соединения осуществляет­ ся за счет обжатия в нем попавшей туда полиэтиленовой пленки. Предварительный натяг для обеспечения герметичности соедине­ ния производится с помощью резинового жгута 13, 14. Во время экс­ перимента давление в рабочей камере увеличивает усилие вдавлива­ ния конусов и улучшает герметичность соединения. Опыт показал высокую надежность работы соединения такой конструкции.

Разработанная жесткая фильтрационная установка позволяет проводить исследования при боковых давлениях в камере и давле­ ниях флюида до 250 МПа. Жесткость установки 1010 Н/м.

251

Для случаев, когда необходима регистрация малых объемов филь­ труемого флюида с высокой точностью, была разработана специаль­ ная установка, схема которой изображена на рис. 4.3 [102]. Уста­ новка такого типа была использована, в частности, для исследова­ ния слабопроницаемых горных пород; для определения открытой пористости пород в условиях залегания, а также параметров извле­ каемое™ флюида из порового пространства при снижении порового давления; для исследования фильтрационных процессов в стенки скважины при моделировании участков ствола скважины вусловиях больших глубин и при проведении гидроразрыва.

Установка выполнена в жестком варианте. На рисунке изобра­ жена принципиальная схема камеры высокого давления с закреп­ ленным на ней приспособлением для осуществления фильтрации (шприцем), которая при проведении экспериментов размещается в жестком нагружающем прессе. Одним из важных условий для обеспечения высокой точности и чувствительности измерения объема флюида, подаваемого в образец и пропускаемого через не­ го, является снижение до минимума паразитарного объема, кото­ рый складывается из объема всех подводящих к образцу и отводя­ щих от него каналов и пустот. Выполнение этого условия приво­ дит к предельному уменьшению площади поперечных сечений всех подводящих каналов, а также продольных размеров деталей конструкции, контактирующих с образцом. Последнее обстоятель­ ство находится в прямом согласии с требованиями, предъявляемы­ ми к конструкции при обеспечении высокой жесткости системы нагружения. Поэтому испытательная камера 7, нагружающий шток 2 с закрепленным на нем образцом 3 в гидроизоляционной обо­ лочке принципиально не отличаются от аналогичных конструк­ ций, описанных выше. Для обеспечения возможности проведения исследований в условиях повышенных температур камера снабже­ на наружным электрообогревателем 4 и системой охлаждения 5, расположенной в зонах нахождения герметичных уплотнений, не переносящих высоких температур.

Основным узлом данной установки является приспособление для нагнетания флюида в образец, выполненное в виде шприца. Шприц имеет две магистрали: высокого и низкого давления. Ма­ гистраль высокого давления включает в себя цилиндр б с малым внутренним диаметром и поршнем 7. Цилиндр б крепится в днище камеры 7. Конструктивная пара цилиндр 6—поршень 7 является сменным элементом конструкции. Набор таких пар с различными размерами рабочего диаметра позволяет с высокой точностью ре­ гистрировать объем подаваемого в образец флюида в широком диапазоне значений измеряемых объемов.

Магистраль низкого давления, состоящая из цилиндра 8 с боль­ шим внутренним диаметром и поршня 9, скреплена с магистралью

252

Рис. 4.3. Принципиальная схема камеры высокого давле­ ния со шприцем для исследования слабых фильтрацион­ ных потоков и внешний вид жесткой фильтрационной установки.

высокого давления накидной гайкой 10. Полость низкого давле­ ния соединена с источником давления 11, полость высокого давле­ ния — с источником давления 12. Установка снабжена также ва­ куумным насосом 13, источником противодавления 15, расходо­ мером на выходе из камеры 16 и системой кранов. Объем флюида, подаваемого в образец под давлением из полости высокого давле­ ния шприца, замеряется по перемещению поршней 7 и 9 с помо­ щью датчиков сопротивления 14. Величина порового давления контролируется с помощью тензодатчика 17, наклеенного на ци­ линдре 6. На рис. 4.3, а изображена схема подготовки образца для экспериментов по определению параметров гидроразрыва.

Установка рассчитана на максимальное давление в камере и дав­ ление флюида до 250 МПа. Точность измерения объема флюида, подаваемого в образец из шприца, составляет 0.005 мм3.

Последовательность проведения опытов на данной установке определяется задачами исследований и описана при обсуждении результатов экспериментов.

При исследовании процессов формирования трещинно-порово- го пространства в горных породах, вызванных необратимым де­ формированием, регистрацию изменяющегося пустотного объема образца в ряде экспериментов осуществляли с помощью U-образ- ного манометра (рис. 4.4). В этом случае герметичная капсула, в которой находился образец 1, соединялась каналом 2 с маномет­ ром 3, свободный конец которого был связан с атмосферой. Вы­ званные деформацией изменения объема пустотного пространства в образце создавали соответствующий перепад уровней в U-образ- ной трубке манометра. Поскольку, как показали специальные ис-

Рис. 4.4. Схема регистрации объемных деформаций в образце с помощью U-образного манометра.

254

следования, трещинообразовательные процессы в образце наибо­ лее интенсивно развиваются в центральной части образца, то в эк­ спериментах для обеспечения более надежной связи манометра с областью наибольшего разрыхления в образце просверливали ка­ пиллярный осевой канал 4. Такой способ измерения объемной де­ формации, естественно, возможно использовать лишь при атмо­ сферном поровом давлении в образце. И в этих условиях он явля­ ется наиболее предпочтительным по сравнению с использованием шприца, поскольку в конструктивном отношении он значительно проще, а также в нем исключены погрешности, связанные с нали­ чием трения в шприце между поршнем и уплотнением.

4.3. Экспериментальные исследования фильтрационных свойств горных пород

В начале настоящего раздела приведены экспериментальные ре­ зультаты, которые имеют методическую направленность, а также результаты, дающие представление о характере изменения филь­ трационных свойств горных пород при вариации видов напряжен­ ного состояния и развитии деформационных процессов. Далее представлены результаты комплексных сопоставительных иссле­ дований двух видов песчаников, имеющих принципиальное разли­ чие в том, что один из них представляет категорию пород, опас­ ных в отношении такого вида динамического проявления горного давления, как внезапные выбросы породы и газа, а второй принад­ лежит к категории неопасных в этом отношении пород.

Описанные выше установки позволяют проводить исследования фильтрационных свойств образцов горных пород в двух направле­ ниях: 1) вдоль оси образца, что совпадает с направлением дейст­ вия максимального главного напряжения с х\ 2) поперек оси об­ разца, т. е. в направлении действия минимального главного напря­ жения с 2 = а 3. Различия в видах и уровнях напряженных состояний, которые имеют место в разных направлениях образца, естественно, должны сказываться на показателях фильтрации, за­ меренных в различных направлениях. И это различие должно уси­ ливаться при развитии необратимых деформаций, поскольку ори­ ентация возникающих при этом микротрещин имеет строгую на­ правленность, определяемую полем напряжений. Таким образом, характеристики фильтрации, замеренные в различных направле­ ниях, несут дополняющую друг друга информацию о структурных изменениях материала, вызванных изменениями вида напряжен­ ного состояния или деформацией.

Для случаев равнокомпонентного трехосного сжатия изотроп­ ных горных пород следовало бы ожидать, что характеристики

255

фильтрации, замеренные в разных направлениях, должны быть одинаковыми. Однако опыт показал существенное различие в ве­ личинах коэффициента проницаемости, рассчитанного по одной методике для случаев фильтрации вдоль и поперек образца. На рис. 4.5 показаны зависимости коэффициента проницаемости К ф от уровня давления гидростатического сжатия с х = а 2 = а 3 для мрамора (а) и бурого угля (б). Фильтрация осуществлялась азотом при давлении на входе для мрамора 1.5 МПа, для угля 0.5 МПа и давлении на выходе, равном атмосферному. Значение ЛГф рассчи­ тывали по известной формуле

где Q — объем газа, прошедший через образец; / — базовая длина фильтрации; Г| — вязкость газа; S — площадь поперечного сече­ ния образца; t — время фильтрации; Рвх — давление газа на входе; Рт — давление газа на выходе.

Рис. 4.5. Зависимости коэффициента проницаемости К ф от уровня давления гидростатического обжатия о, = о 2 = о 3 для мрамора (а) и бурого угля (б). Кри­ вые 1 получены при фильтрации поперек образца, кривые 2 — при фильтра­ ции вдоль образца.

Графики построены в полулогарифмических координатах. Верхние кривые (1) соответствуют фильтрации поперек образца, а нижние (2) получены для случая фильтрации вдоль образца. Характер изменения верхней и нижней зависимостей схож, од­ нако разница в численных значениях ЛГф весьма существенна. Причем различие возрастает с ростом уровня гидростатического давления, поскольку с ростом а 2 значение К ф для случая филь­

256

lg АГф, мД

Рис. 4.6. Зависимости коэффициента проницаемости мрамора от осевой на­ грузки Ао, при деформации до предела и за пределом прочности, полученные при разных уровнях бокового давления о 2 для случаев фильтрации вдоль образ­ ца (а) и поперек образца (б).

поперечном направлениях. Например, для с 2 = 5 МПа, коэффи­ циент ЛГф увеличился на 1— 1.5 десятичных порядка, для а 2 = 10 МПа — на 4.5— 5 порядков. Для а 2 = 25 МПа это различие по­ меньше: при фильтрации вдоль образца Кф увеличился на 3 по­ рядка, а при фильтрации поперек образца — на 4.5 порядка. Это различие вызвано двумя причинами, одна из которых носит мето­

258

дический характер, а вторая связана с природой развития микро­ трещиноватости в материале при деформации.

1. В случае продольной фильтрации в опыте участвуют торцевые части образца, где напряженное состояние искажено влиянием трения между образцом и передающей на него нагрузку деталью пресса. Процесс деформации в торцевой части затруднен и более интенсивно развивается в центре образца, где происходит наи­ большее его разрыхление. Ввиду неоднородности деформации по длине образца он приобретает форму бочки. Части образца, при­ мыкающие к торцам, остаются слабо деформированными, а пото­ му их фильтрационные свойства мало изменяются по сравнению с исходным материалом. При поперечной фильтрации влияние тор­ цов на величину определяемого Кф исключается.

2. Вторая причина различия состоит в том, что развивающиеся в процессе деформации микротрещины ориентируются вдоль дейст­ вия максимального главного напряжения, т. е. в данном случае вдоль оси образца, и являются более открытыми для фильтрации в поперечном направлении.

Таким образом, поперечное направление фильтрации является более чувствительным к структурным изменениям, происходящим в образце при развитии в нем деформационных процессов. Изме­ рение фильтрации поперек образца является предпочтительным даже в случае испытания материалов, практически не разрыхляю­ щихся в результате деформации, поскольку, как показал опыт (см. рис. 4.5), проницаемость образца в поперечном направлении су­ щественно выше, что облегчает задачу регистрации малых филь­ трационных потоков в эксперименте. В качестве примера на рис. 4.7 приведены зависимости Кф от продольной нагрузки Д а, для бурого угля, полученные при деформации его при разных уровнях бокового давления а 2. Абсолютные значения Кф поперек образца (б) более высокие, а величины изменения в процессе деформации вдоль и поперек образца практически одинаковые. Небольшое увеличение фильтрационных свойств породы наблю­ дается в запредельной области при а , = 2.5 и 5 МПа. При а 2 = = 10 МПа процесс деформации на всем протяжении сопровожда­ ется закрытием пор и снижением фильтрационных свойств.

Рассмотренные выше деформационные процессы и связанная с ними фильтрация относятся к области относительно низких дав­ лений и соответствуют небольшим глубинам. Деформационные процессы в условиях больших глубин обладают рядом особенно­ стей, которые сказываются на фильтрационных и коллекторских свойствах пород. Рассмотрим эти особенности на примере мрамо­ ра [102].

На рис. 4.8 показана диаграмма механического состояния для мрамора, которая обсуждалась в разделе 1.4.3. На этой диаграмме

259

I g ^ , мД

Рис. 4.7. Зависимости коэффициента ЛГф проницаемости бурого угля от осевой нагрузки AOj при деформации до предела и за пределом прочности, полученные при разных уровнях бокового давления а 2 для случаев фильтрации вдоль образ­ ца (а) и поперек образца (б).

Рис. 4.8. Диаграмма механического состояния для мрамора с обозначенными траекториями путей нагружения.

260