Содержание к диссертации
Введение
1 Методы исследования физико-механических свойств пород при воздействиях технологиями интенсификации нефтедобычи 12
1.1 Методы воздействия на призабойную зону скважины 13
1.1.1 Гидравлический разрыв пласта 13
1.1.2 Химические методы воздействия 15
1.1.3 Тепловая обработка призабойной зоны скважины 18
1.1.4 Газодинамическое воздействие на призабойную зону скважины 19
1.2 Аппаратура и методика исследований физико-механических свойств горных пород при высоких давлениях 22
1.3 Влияние различных факторов на прочность горных пород 26
1.3.1 Влияние термического воздействия на предел прочности 28
1.3.2 Влияние скорости нагружения на предел прочности 29
1.3.3. Влияние на предел прочности дефектов структуры 31
1.3.4 Влияние на предел прочности химически активных сред, находящихся в порах образца
1.3.5 Влияние механического действия внутрипорового давления жидкости 35
2 Измерительный комплекс для исследования физико-механических свойств пород нефтяных скважин 39
2.1 Требования к установке высокого давления 40
2.2 Прочностные расчеты элементов установки высокого давления 41
2.2.1 Определение толщины стенки цилиндрического корпуса установки высокого давления
2.2.2 Расчет на прочность резьбовых соединений 44
2.3 Экспериментальный измерительный комплекс для исследования прочностных свойств пород нефтяных скважин 45
2.4 Физико-математическая модель внутрибаллистических параметров установки высокого давления 49
2.5 Метрологическое обеспечение измерения давления в установке высокого давления 55
2.5.1 Обоснование физического принципа работы канала измерения давления и выбор его структурной схемы 56
2.5.2 Технические параметры и метрологические характеристики измерительного канала 57
2.5.3 Оценка погрешности канала измерения давления в установке высокого давления 65
3 Методика проведения эксперимента и оценка работоспособности комплекса 73
3.1 Методика проведения экспериментов 73
3.2 Экспериментальные исследования прочностных свойств пород нефтяных скважин 75
3.3 Исследование прочностных свойств горных пород при статических испытаниях 84
3.4 Анализ результатов лабораторных исследований механических свойств пород призабойной зоны 90
Выводы 92
Список литературы 93
Приложение А 102
Приложение Б 104
- Гидравлический разрыв пласта
- Влияние на предел прочности дефектов структуры
- Прочностные расчеты элементов установки высокого давления
- Экспериментальные исследования прочностных свойств пород нефтяных скважин
Введение к работе
В настоящее время в России, в частности, в Западной Сибири, крупные нефтяные месторождения характеризуются значительным падением наиболее продуктивных пластов. Доля таких месторождений (по оценкам ИХН СО РАН г. Томск) превышает 40%. Поэтому одним из основных направлений прогресса в нефтедобывающей отрасти является разработка новых методов интенсификации нефтедобычи.
В ряде научных организации в России ведутся интенсивные работы по созданию новых технологий воздействия на призабойные зоны нефтяных пластов.
Перспективным представляется сочетание широко применяемых методов гидроразрыва пласта с физико-химическим и термогазохимическим воздействиями. Механизм такого комплексного воздействия на характеристики нефтесодержащих пород (трещинообразование, предел прочности и т.д.) практически не исследованы, что затрудняет целенаправленное конструирование соответствующей техники воздействия.
В связи с этим, остро стоит проблема разработки методики и средств исследований эффективности различных методов воздействия на призабойные породы в условиях имитационных моделей. Такие методы позволят существенно повысить экспрессность проведения испытаний, снизить их стоимость, и, в конечном счете, радикально ускорить внедрение перспективных способов повышения нефтеотдачи обедненных пластов.
В связи с этим, тема диссертации, посвященная разработке лабораторного имитационно-измерительного комплекса для исследования основных характеристик образцов нефтяных пород при широком спектре воздействий на них (импульсного, статического или депрессионного давлений, введение химически активных композиций, термического воздействия) является, несомненно, актуальной.
Целью работы является разработка экспериментального комплекса, позволяющего имитировать различные виды воздействия достаточной интенсивности на образцы пород: импульсное или статическое давление, ва-куумирование, воздействие температурой и химическими композициями, как в отдельности, так и при их сочетании. Исследование воздействия на образцы всего комплекса применяемых технологических нагружений позволяет выбрать наиболее эффективный метод интенсификации нефтедобычи.
1 Разработать и изготовить экспериментальный имитационный ком
плекс, позволяющий проводить экспресс-анализ влияния различных видов
воздействий на механические свойства образцов пород из нефтяных скважин,
по своим уровням аналогичным применяемым на скважинах в промышлен
ных условиях. При этом:
разработать внутренний источник импульсного давления в виде порохового заряда, что сделает его малогабаритным и автономным;
разработать модули, обеспечивающие статическое или депрессионное давления и термическое нагружение образцов пород;
обеспечить возможность использование сред, имитирующих условия залегания пород в сочетании с нефтевытесняющими композициями.
2 Разработать методику определения минимального и максимального
давления нагружения, при которых происходит начало внутреннего трещи-
нообразования и разрушение образцов при различных внешних условиях:
температуре, химических композициях (ИХН-100, термообратимый гель, во
да и т.д.) и времени воздействия.
Объектом исследования являются образцы сцементированных песчаников Юрского и Мелового отложений нефтяных скважин Западно-Сибирского региона при различных видах воздействий (импульсно-взрывном, статическом, термическом, депрессионном, химическом).
Методы исследования Для решения задач исследования при выполнении работ использовались физико-математическое моделирование процессов
нагрузки образцов, оценка работоспособности установки высокого давления, теоретические литературные сведения о прочности горных пород, теории трещинообразования и роста трещин (теории хрупкого разрушения Гриф-фитса, Баренблатта) с учетом внешних условий, включая влияния поверхностно активных веществ (теория Ребиндера П.А.), литературные данные о влиянии разного рода нагружений на породы нефтяных скважин и сравнение этих данных с результатами испытаний на разработанном экспериментальном комплексе.
Научная новизна
Разработан автономный экспериментальный комплекс на базе установки высокого давления для исследования прочностных характеристик образцов пород из нефтяных скважин, позволяющий реализовать большое количество видов воздействия на образцы пород нефтяных скважин: импульсное, статическое, депрессионное, термическое и химическое воздействие на образцы. Установка имеет малые габариты, внутренний источник нагруже-ния, систему измерения и обработки информации.
Показана возможность экспериментальной оценки комплекса параметров пластовых пород, определяющих технологию нефтедобычи. Комплекс позволяет проводить имитационные нагружения образцов в соответствии с планируемой технологией воздействия на нефтесодержащие пласты пород.
Получены новые экспериментальные данные при использовании разработанного имитационного комплекса.
Вода снижает предел начала трещинообразования на 20%.
Использование нефтевытесняющей композиции ИХН-100 еще дополнительно снижает давление начала трещинообразования на 5...8%.
Практическая ценность
Разработанный комплекс рекомендован к использованию для проведения исследований изменения свойств образцов пород нефтяных скважин при
различных видах воздействий (импульсно-взрывном, статическом, термическом, депрессионном, химическом).
Реализация и внедрение
Разработанная и изготовленная установка высокого давления для исследования физико-механических свойств материалов внедрена в Институте химии нефти СО РАН. Институтом проблем химико-энергетических технологий СО РАН разослана информация возможным пользователям.
Данные работы проводились в рамках следующих проектов:
по программе 7 Президиума РАН "Новые подходы к химии топлив и химическая электроэнергетика", раздел 7.3 "Физико-химические основы создания новых методов повышения производительности нефтяных скважин";
по междисциплинарному интеграционному проекту № 109 «Импульс-но-депрессионные методы повышения продуктивности нефтедобывающих скважин»;
по интеграционному проекту РАН - СО РАН №32 "Физико-химические основы новых комплексных методов увеличения нефтеотдачи путем импульсно-взрывного воздействия на пласт в сочетании с нефтевытес-няющими и гелеобразующими композициями";
по проекту "Физико-математические основы эффективного преобразования энергии высокоэнергетических конденсированных сред для разработки нового оборудования, материалов и технологий" приоритетного направления 15 программы 15.2 фундаментальных исследований СО РАН.
Работа выполнена при поддержке гранта НОЦ (Томского государственного университета), выигранного автором в 2006 году.
К защите представлены
1 Теоретическое обоснование и практическая реализация экспериментального имитационного комплекса для анализа физико-механических свойств материалов при различных видах воздействий: импульсном, статиче-
ском, депрессионном, термическом, химическом в сочетании с естественными пластовыми условиями - давлением, температурой, жидкой средой.
2 Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств образцов пород нефтяных скважин Западно-Сибирского региона при различных видах, позволяющие оценить перспективность разработанного комплекса для выбора методов воздействия при разработке технологий интенсификации нефтедобычи для каждой скважины.
Публикации
Содержание диссертационной работы отражено в 9 научно-технических отчетах и было представлено в виде докладов на 16 Международных и Всероссийских научных конференциях, 15 докладов опубликованы в соответствующих сборниках конференции и в 2-х статьях в рецензируемых журналах.
Апробация работы
Материалы результатов работы обсуждались на 2-й Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении" (26 - 27 сентября, 2002г., г. Бийск); 3-й Всероссийской научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении" (25-26 сентября, 2003г., г. Бийск); 3-й Всероссийской научно-практической конференции (25 - 27 сентября 2003 г.) "Проблемы и методология утилизации смесевых твердых топлив, отходов спецпроизводств и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники. Проектирование, отработка и испытания твердотопливных энергетических установок" (г. Бийск); Международной конференции HEMs - 2004 "Высокоэнергетические материалы, демилитаризация и гражданское применение" (20 - 25 августа 2004г., г.Белокуриха); III Всероссийской научно-практической конференции "Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа" (20 - 24 сентября 2004г., г.Томск); Международной научно-технической и методической конференции "Современные проблемы техни-
ческой химии" (22 - 24 декабря 2004 г, г. Казань); семинаре "Химические аспекты нефтедобычи", проводимого компанией «Шлюмберже» совместно с Центром трансфера технологий СО РАН и НП «Центр химических технологий и материалов ИК СО РАН» (6-7 декабря 2004 г., г. Новосибирск); IV Всероссийской юбилейной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (23 - 24 сентября 2004 г., г. Бийск); V Всероссийской юбилейной научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (7-8 октября 2004 г., г.Бийск); 2-й Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (4-6 мая 2006 г., г.Томск), II Международной конференции HEMs-2006 "Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение" (11-14 сентября 2006 г., г.Белокуриха); I Всероссийской конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (27-29 сентября 2006 г., г. Бийск); V Всероссийской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (2-5 октября 2006г., г.Томск).
Личный вклад
Автору принадлежат основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке установки высокого давления и ее применению для оценки физико-механических свойств образцов. Определение диапазона давлений, обеспечивающих испытания любых пластовых пород разной прочности, и учет этих данных в конструкции установки. Разработка физико-математической модели внутрибаллистических параметров энергоносителя установки (порохового заряда) и методики исследований.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и двух приложений, изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 10 таблиц.
В первой главе приведены обзор существующих методов интенсификации добычи нефти, анализ их основных достоинств и недостатков, который позволил сделать вывод о перспективности комплексного воздействия на призабойные породы, в котором реализуются одновременно воздействие давлением, термическое и химическое. Приведены схемы применяемой аппаратуры и методики исследований физико-механических свойств горных пород при высоких давлениях. Анализ существующих установок и методик исследований позволил сделать вывод о недостатках данных технологий и методах их устранения. Также проведен анализ влияния на прочность горных пород отдельных факторов: температуры, скорости деформации, влияние жидкой фазы, который подтвердил необходимость проведения исследований влияния комплексов воздействий на структуры и свойства пород.
Во второй главе описана принципиальная схема экспериментального комплекса на базе установки высокого давления для исследования физико-механических свойств горных пород, приведены его технические характеристики и возможности. Подробно описаны основные составные элементы экспериментального комплекса, такие, как установка высокого давления, система измерения давления и система задания температуры. Рассмотрен метод задания максимального давления в установке с использованием порохового заряда (для более точного определения внутрибаллистических параметров предложена физико-математическая модель, описывающая изменение газодинамических параметров в полостях установки, которая представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений для усредненных по внутреннему свободному объему внутрибаллистических характеристик).
В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований трещинообразования пород нефтяных скважин. Представлены результаты применимости комплекса для экспериментальных исследований свойств пород нефтяных скважин Западно-Сибирского региона. Определены давления трещинообразования и разрушения образцов пород. Результаты проиллюстрированы фотографиями образцов и их шлифов. Приведены результаты исследования влияния различных воздействий (давления, температуры и при насыщении образцов жидкими средами) на предел прочности пород Западно-Сибирского региона.
В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю г.н.с, д.т.н. Ворожцову Борису Ивановичу, с.н.с, к.ф.-м.н. Хруста-леву Юрию Владимировичу как постоянному соруководителю работы и зав. лабораторией "Физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов", к.ф.-м.н. Павленко Анатолию Александровичу.
Гидравлический разрыв пласта
Сущность этого процесса заключается в нагнетании в проницаемый пласт жидкости при давлении, под действием которого пласт расщепляется, либо по плоскостям напластования, либо вдоль естественных трещин [9, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Для предупреждения смыкания трещин при снятии давления в них вместе с жидкостью закачивается крупный песок, сохраняющий проницаемость этих трещин, в тысячи раз превышающую проницаемость ненарушенного пласта. Гидравлический разрыв проводится при давлениях, доходящих до 100 МПа. На пористый пласт в вертикальном направлении дей ствует сила, равная весу вышележащих пород. Средняя плотность горных осадочных пород рп обычно принимается равной 2300 кг\м3 [13]. Тогда давление горных пород Р будет равно: P = P„-g-H; (1.1) где Н- глубина залегания пласта.
Поскольку плотность воды 1000 кг\м , то давление горных пород Р примерно в 2,3 раза больше гидростатического на той же глубине Н залегания пласта. Если предположить, что внутреннее напряжение породы по всем направлениям одинаково и равно горному, то для образования в пласте горизонтальной трещины необходимо внутри пористого пространства создать давление разрыва Рр, превышающее горное на величину временного сопротивления горных пород на разрыв 5Z: РР =P+S„ (1-2)
Однако фактические давления разрыва часто оказываются меньше горного, т.е. в ПЗС создаются области разгрузки, в которых внутреннее напряжение меньше горного, определяемого соотношением (1.1). Это может быть обусловлено причинами чисто геологического характера, например, в процессе горообразования могло произойти не только сжатие пород, но и их растяжение. Но существует и другое объяснение локального уменьшения Р - сама проводка ствола скважины нарушает распределение напряжений в примыкающих породах, и эти нарушения (уменьшения) тем больше, чем ближе порода к стенкам скважины [9,17,18,19].
Момент разрыва на поверхности отмечается как резкое увеличение расхода жидкости (поглощательной способности скважины) при том же давлении на устье скважины или как резкое уменьшение давления на устье при том же расходе. Для проектирования процесса гидравличсеского разрыва пласта очень важно определить давление разрыва Рр, которое необходимо создать на забое скважины.
Все фактические значения Рр лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений. Причем при малых глубинах (менее 1000м) Рр ближе к горному давлению и при больших глубинах - к гидростатическому. В работе [20] на основании этих данных приводятся приближенные значения давления разрыва: для неглубоких скважин (до 1000 м) = (1,74...2,57)/ , (1.3) для глубоких скважин (// 1000 м) = (1,32...1,79)/ , (1.4) где Р - гидростатическое давление. К достоинствам этого метода следует отнести дешевизну материалов, к недостаткам - дорогостоящее и громоздкое оборудование. Кроме того, для эффективного использования метода необходимо иметь информацию о прочностных свойствах пород призабойной зоны.
Эти методы применяются в случаях, когда можно растворить породу пласта или элементы, отложение которых обусловило ухудшение проницаемость ПЗС, как, например, соли или железистые отложения и др. Типичным методом воздействия является простая кислотная обработка. Так при обработке скважин соляной кислотой происходит растворение известняка, доломитов и карбонатных цементирующих веществ в нефтесодержащих породах [9,20,21,22,23]. Образующиеся соли хорошо растворяются в воде и легко удаляются через поры породы. К раствору кислоты добавляются ингибиторы, снижающие коррозионное воздействие кислоты на оборудование и интенсификаторы - поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие в 3...5 раз поверхностное натяжение на границе нефть - нейтрализованная кислота, ускоряющие и облегчающие очистку призабойной зоны от продуктов реакции и от прореагировавшей кислоты.
Существуют модификации солянокислых обработок, например, обработка под давлением и термокислотные обработки [23, 24,25]. При вскрытии нескольких самостоятельных прослоев общим фильтром или общим открытым забоем, а также при вскрытии пласта большой толщины, в разрезе которого имеются интервалы с различной проницаемостью, одноразовая солянокислая обработка всего интервала всегда положительно сказывается на наиболее проницаемом прослое. Другие прослои с ухудшенной гидропроводно-стью фактически остаются необработанными. В таких случаях применяют поинтервальную обработку, т.е. обработку каждого интервала пласта или пропластка.
В последние годы для химической обработки призабойной зоны скважины применяются композиции разработки ИХН СО РАН [22, 23]. Такие композиции созданы на основе ПАВ и аммиачной буферной системы, образуемой аммиаком и аммиачной селитрой - дешевыми промышленными продуктами, имеющими практически неограниченную сырьевую базу. Отличительная особенность композиций ИХН состоит в том, что их компоненты являются составной частью геохимических циклов азота, углерода и кислорода. Это обеспечивает их экологическую приемлемость и многофункциональность: компоненты служат источником питания аборигенной пластовой микрофлоры, естественными индикаторами-трассерами фильтрационных потоков в залежи и др.
Композиции ИХН обеспечивают прирост коэффициента вытеснения на 10...20 %, снижают набухаемость глин, деэмульгируют водонефтяные эмульсии. Они могут применяться в широком интервале пластовых температур и пластовых вод, при разработке низкопроницаемых и неоднородных пластов. В процессе вытеснения нефти композициями ИХН подвижность фильтруемой жидкости возрастает в 3...7 раз, что указывает на возможность значительного увеличения приемистости нагнетательных скважин при проведении обработки призабойной зоны пласта [22,23].
Разработаны также физико-химические основы методов увеличения нефтеотдачи пластов с применением гелеобразующих систем и композиций поверхностно-активных веществ. В последние годы ведется работа над новыми технологиями увеличения нефтеотдачи с применением термотропных неорганических и полимерных гелеобразующих систем, способных генерировать гели непосредственно в пласте. Их применение позволяет создавать в пласте отклоняющие экраны, регулировать фильтрационные потоки, что приводит к увеличению добычи нефти, снижению обводненности продукции. Экологическая безопасность реагентов, их безвредность для человека позволяют широко использовать гель-технологии на месторождениях Западной Сибири.
Химические методы воздействия на ПЗС хотя и обеспечивают прирост коэффициента вытеснения на 10...20%, имеют и ряд недостатков. Это, во первых, применение химических методов воздействия возможно при условии проникновения химических реагентов в породу, при этом эффективность их влияния зависит в первую очередь от каналов (трещин) в породах-коллекторах [26, 27, 28, 29]. Во вторых, это сложное и дорогостоящее оборудование для закачки химических реагентов. В третьих, изнашивание оборудования и загрязнение окружающей среды. Химические реагенты влияют на прочностные и деформационные свойства пород-коллекторов. Это влияние необходимо учитывать при последующих механических или тепловых обра ботках ПЗС. Однако в настоящее время существует мало данных о влиянии на механические свойства пород современных химических композиций.
Влияние на предел прочности дефектов структуры
Имея ввиду, что добыча нефти производится путем вскрытия дефектов структуры горных пород, также приводятся некоторые литературные сведения позволяющие теоретически оценить уровень нагрузок, приводящих к разрушению горных пород, в зависимости от механических параметров и наличия трещин, а также физико-химических свойств жидких сред, заполняющих структурные ниши призабойной зоны.
Концепция Гриффитса характеризуется следующими постулатами: 1) вводится поверхностная энергия разрушения и постулируется критерий хрупкого разрушения; 2) в качестве математической идеализации плоской трещины выбирается узкий эллиптический вырез в предположении У «1; 3) предполагается, что разрушение происходит вдоль площадки, на которой нормальное растягивающее напряжение достигает критического значения (этот постулат в научной литературе известен как условие нормального отрыва).
Рассмотренные основы и условия разрушения горных пород не содержат жидкие среды. В то же время породы-коллекторы содержат саму нефть, воду, а также могут содержать технологические жидкие среды [53, 54]. 1.3.4 Влияние на предел прочности химически активных сред, находящихся в порах образца
Основоположником теории влияния ПАВ на физико-механические свойства твердых материалов является П.А. Ребиндер [55]. Форма и степень проявления эффекта Ребиндера зависят от интенсивности межатомных (межмолекулярных) взаимодействий соприкасающихся фаз, величины и типа напряжений (необходимы растягивающие напряжения), скорости деформации, температуры. Существенную роль играет реальная структура тела - наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др. Характерная форма проявления эффекта Ребиндера - многократное падение прочности, повышение хрупкости твёрдого тела, снижение его долговечности.
Молекулярная природа эффекта Ребиндера состоит в облегчении разрыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных и вместе с тем достаточно подвижных инородных молекул (атомов, ионов).
Еще в первых опытах на образцах горных пород было отмечено, что если жидкость, передающая давление, попадает внутрь образцов, то такие образцы разрушаются при значительно меньших напряжениях, чем образцы, изолированные от среды, передающей давление [20]. В осадочных сильно пористых породах снижение прочности значительно, в малопористых изверженных породах уменьшение прочности из-за проникновения жидкости внутрь образца менее значительно.
Известно, что даже небольшое количество жидкости, находящееся в парообразном состоянии в воздухе, уменьшает напряжение разрыва связей у вершин трещин в силикатах приблизительно на порядок по сравнению с напряжением, когда жидкость полностью отсутствует [20, 56].
Для выявления закономерностей влияния влажности на прочность горных пород в условиях сложного напряженного состояния надо учитывать как механическое действие внутрипорового давления жидкости, так и физико-химическую сторону явления. В некоторых условиях в горных породах интенсивно проявляется эффект адсорбционного понижения прочности. Понижение прочности происходит за счет расклинивающего действия жидкости в трещинах и порах. При полном насыщении, когда жидкость находится в по-ровом пространстве под давлением, прочность породы определяется эффективным давлением на образец. В этом случае эксперименты проводятся по двум методикам: одни - с известным количеством жидкости в поровом пространстве с произвольным изменением порового давления, другие - с контролируемым и заранее задаваемым поровым давлением. Малые количества воды, до 30% от объема порового пространства, не оказывают существенного влияния на прочностные характеристики породы. Если содержание воды больше 30% объема порового пространства, то прочность уменьшается за счет уменьшения эффективного давления, возникающего при приложении внешнего гидростатического давления и расклинивающего действия воды в поровом пространстве [20].
Относительное уменьшение прочности для образцов пористого базальта приведено на рисунке 1.5 как функция заполнения водой общего порового пространства на основании опытов, проведенных при 500 МПа всестороннего давления [20]. Общая пористость в каждом образце была рассчитана по плотности каждого образца и средней плотности породообразующих минералов.
Прочностные расчеты элементов установки высокого давления
Пороховая установка требует при обеспечении безопасности ее эксплуатации расчетов на прочность с учетом максимального коэффициента запаса. На рисунках 2.1 и 2.2 показаны эпюры изменения радиального и окружного напряжений по толщине стенки корпуса при нагружении внутренним давлением.
Измерительный комплекс включает в себя: установку высокого давления, тензометрический датчик давления, усилитель постоянного тока, АРМ (автоматизированное рабочее место), термостат (для нагрева образцов до необходимой температуры), вакуум-насос (для создания депрессионных нагрузок на образцы) и ресивер высокого давления, предназначенный для подачи в установку статического давления [65, 66, 67, 68, 69, 70]. Ресивер статического давления представляет собой баллон сжатого воздуха под давлением 15МПа.
Схема комплекса приведена на рисунке 2.3. Технические характеристики комплекса приведены в таблице 2.2. Схема установки высокого давления и внешний вид измерительной системы приведены на рисунке 2.4.
Герметизация верхней (запальной) крышки 3 осуществлена с помощью стальных и резиновых колец, образующих систему 2, самоуплотняющуюся под действием внутреннего давления [71, 72]. В этой крышке смонтирован электроввод 1. Рабочее положение установки - вертикальное.
Герметизация нижней крышки 8 проведена с помощью клапанного уплотнения конструкции металл - отожженная медь - металл. В дно крышки вкручивается тензометрический датчик давления типа РЗМА фирмы НВМ. В этой же крышке расположен клапан для сброса давления после испытания. Таблица 2.2 - Технические характеристики комплекса Параметр Значение Амплитуда импульсного воздействия, МПа до 200 Длительность импульсного воздействия, с от 0,01 до 1 Температура нагрева, иС до 150 Вакуумирование, МПа до 0,01 Статическое давление, МПа до 20 Масса рабочей части, кг не более 15 Объем рабочей части, MJ до 2,7-10-4
К электровводу в верхней крышке крепится зарядное устройство (рисунок 2.5) из баллиститного пороха [73]. Схема зарядного устройства показана на рисунке 2.7. Набор пороха помещается в миткалевый мешочек, сюда же засыпается навеска дымного пороха для обеспечения воспламенения баллиститного. Воспламенение производится от нихромовои спирали накаливания от постоянного напряжения 12 В. Рисунок 2.5 - Схема зарядного устройства: 1 - нихромовая спираль; 2 - баллиститный порох; 3 - миткалевый мешок; 4 - резиновый мешок; 5 - навеска дымного пороха. Для увеличения длительности воздействия импульсного давления применялся порох торцевого горения (рисунок 2.6). На рисунке 2.7 приведены кривые давления для пороха торцевого горения (1) и трубчатого пороха (2). Видно, что время нагружения увеличилось более, чем на порядок.
В ниже приведенной расчетной модели учтены: - тепловые потери на стенки установки; - конструктивные параметры установки (двухкамерность, свободный объем, теплофизические характеристики материала, толщина стенок и т.д.); - геометрические характеристики заряда (диаметр, толщина горящего свода и т.д.).
Математическая модель представляется системой обыкновенных дифференциальных уравнений для усредненных по внутреннему свободному объему внутрибаллистических характеристик, так называемое нульмерное описание. Внутрибаллистический расчет при этом базируется на уравнениях, выражающих законы сохранения массы и энергии. Задача решалась при допущении, что химические реакции не протекают, а термодинамические свойства смеси определяются через массовые концентрации компонентов. При этом предполагается, что заряд твердого топлива загорается одновременно по всей рабочей поверхности, а дегрессию выгорания заряда можно описать в рамках геометрического приближения. Термодинамика пороховых газов бал-листитных топлив изучена достаточно хорошо, влияние реакций диссоциации на температуру горения пренебрежимо мало, поэтому во всех расчетах внутрибаллистических характеристик рекомендуется учитывать только равновесие реакции водяного газа. Такой подход позволил получать результаты вполне удовлетворительной точности с наименьшими затратами труда.
Экспериментальные исследования прочностных свойств пород нефтяных скважин
Керны пород имеют размеры: диаметр 0,03 м и высота 0,040 м. На рисунке 3.1 приведены керны пород нефтяных скважин до экспериментальных исследований. Испытания проводились в два этапа: - в диапазоне импульсного нагружения давлениями 40...100 МПа (проверка теоретических расчетов начала трещинообразования); - в диапазоне импульсного нагружения давлениями 100...200 МПа (определение влияния на прочностной предел образцов при их нагружении импульсным давлением и параметров развития трещин).
Все экспериментальные исследования проводись при практически полном заполнении трещин образцов жидкими средами (образцы 30 суток выдерживались в соответствующих жидких средах). Это необходимо для устранения погрешностей, связанных с неполным заполнением по объему трещин образцов (например, более мелкие трещины, чем выбранные, будут заполнены на 100%, и предугадать влияние этих параметров весьма затруднительно) и исключения влияния на предел прочности и начала развития трещин таких факторов, которые проблематично выявить.
До и после проведения испытаний образцы визуально осматривались на наличие трещин на боковых и торцевых поверхностях. Выявлялась максимальная трещина, т.к. в соответствии с литературными данными [49] она будет являться максимальным концентратором напряжений. Производились измерения ее длины. Из расчетных значений начала распространения трещин определялось давление нагружения.
Вариант В Выдержанный в ИХН-100 образец породы помещается в установку. Образец заливается этой композицией в собранную установку через штуцер в верхней части камеры. Проводится нагружение давлением от газового ресивера (азот) до 15 МПа и выдерживается в течении 2-х часов. После чего проводится испытание. 56 0,65 Нагружение статическим давлением 15 МПа в течение 2часов, рабочая среда ИХН-100. Давление импульсного нагружения 45 МПа, рабочая среда ИХН-100. Трещинообразования визуально не обнаружено 57 0,62 Нагружение статическим давлением 15 МПа в течение 2часов, рабочая среда ИХН-100 Давление импульсного нагружения 50 МПа, рабочая среда ИХН-100. Трещинообразования визуально не обнаружено 58 0,64 Нагружение статическим давлением 15 МПа в течение 2 часов, рабочая среда ИХН-100. Давление импульсного нагружения 58МПа, рабочая среда ИХН-100. Обнаружено увеличение размеров микротрещины на боковой и торцевой поверхностях образца Вариант С Предварительно выдержанный в воде образец породы закладывается в установку, заливается водой, подвергается импульсному воздействию. 31 0,48 Давление импульсного нагружения в воде - 45 МПа, выдержка 10 мин, сброс давления. Трещинообразования визуально не обнаружено 32 0,51 Давление импульсного нагружения в воде - 50 МПа, выдержка 10 мин. Трещинообразования визуально не обнаружено 33 0,52 Давление импульсного нагружения в воде - 60 МПа, выдержка 10 мин, сброс давления. Трещинообразования визуально не обнаружено 34 0,50 Давление импульсного нагружения в воде - 70 МПа, выдержка 10 мин, сброс давления. Обнаружено увеличение размеров микротрещины на боковой и торцевой поверхностях образца
Во всех наших экспериментах получено увеличение объема образцов после испытаний (дилатансия). Согласно литературным данным это может быть объяснено раскрытием трещин внутри образцов. Для исследования внутренней структуры кернов после воздействия давлением изготавливались шлифы образцов. На рисунке 3.7 приведены шлифы кернов до и после испытаний. Из рисунка видно, что трещины образуются и внутри образцов. Не зная начальных размеров трещин, трудно судить о процессе трещинообразо-вания в этих образцах. Однако можно судить об увеличении трещин по увеличению объема или увеличению поперечного сечения образцов после испытаний. Эти данные усреднены по длине образца и могут использоваться для определения коэффициента увеличения проходного сечения трещин, т.е. коэффициента усредненного увеличения размеров трещин по объему образца. На рисунке 3.8 приведены зависимости увеличения площади поперечного сечения образцов при воздействии различными давлениями в воде (1) и в неф-тевытесняющей композиции ИХН-100 (2).
Проводилось исследование изменения плотности образцов горных пород после воздействия импульсным давлением в различных рабочих средах. Перед испытаниями измерялся объем образцов и их масса, по этим значениям определялась начальная плотность. Так как эти показатели у всех образцов разные, то результаты экспериментов целесообразно приводить в безразмерном виде.
Таким образом, исследованиями выявлено: - образцы пород, подвергавшиеся ранее воздействию импульсным давлением, разрушаются при одноосном нагружении при более низком усилии (порядка 40%), чем образцы без каких-либо предварительных воздействий; - у образцов, насыщенных жидкими средами, давление начала трещи-нообразования ниже чем у «сухих». Различия в поведении воздушно-сухих и водонасыщенных образцов пород вызываются механическим действием по-ровой воды, которое способствует развитию трещин при меньших долях разрушающей нагрузки и снижает прочность; - прочность образцов, предварительно подвергавшихся ранее многоразовому импульсному нагружению, значительно ниже, чем у других образцов, что также подтверждает появление и развитие микротрещин в процессе циклического импульсного нагружения и развитие трещин при статическом нагружении; - явление дилатансии наблюдалось для всех исследуемых пород, что также может быть объяснено раскрытием микротрещин в образцах перед разрушением.
