Файл: Медведев, И. И. Газовыделения на калийных рудниках.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.10.2024

Просмотров: 62

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

прочности можно пользоваться образцами сечением 0,03 X 0,03

м

и более — для каменной соли и сильвинита и сечением 0,1 X 0,1

м

и более — для карналлита.

 

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

тывались образцы

сильвинита

пласта Красного II кубические

0,05 X 0,05 X 0,05 м,

т. е. такие

же, какие были затем использо­

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

9*

131


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

 

 

роны

образец

сообщается

с

 

 

асмосферой

через

отверстие в

 

 

стальной

бобышке

диаметром

 

 

0,02 м. Сбоку в стальном кор­

 

 

пусе камеры имеется отвер­

 

 

стие с резьбой для подсоеди­

 

 

нения пьезоэлектрического дат­

 

 

чика к резиновому вкладышу,

 

 

с помощью

которого

и

элек­

 

 

тронного

осциллографа

«Ори­

 

 

он» замеряется давление за­

 

 

жатия образца.

 

 

 

 

 

 

 

Камера для испытания об­

 

 

разцов

 

больших

 

размеров

 

 

представляет собой

стальную

 

 

оболочку толщиной 0,02 м, за­

Рис. 50. Камера для испытания куби­

крывающую

образец

с

шести

ческих образцов с ребром длиной

сторон, с наклеенным

на

нее

/ — труба;

5 см:

изнутри

слоем

резины

толщи­

2 — камера; 3 — вкладыш; 4 —

ной 0,02

м

для

обеспечения

датчик;

5 — бобышки; в — фланцы

 

 

более

плавного

и равномерно­

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

резиновой трубкой (типа шлангового гидрозатвора)

так,'

что

жидкость действовала на образец внутри

него на

длине

шпура,

равной 7з длины образца.

методам

вариационной

Необходимое число

опытов, согласно

статистики, определялось по формуле

 

 

 

 

где w — вариационный

« = Т Г -

Р — показатель

 

коэффициент, %;

точ­

ности, %.

 

 

 

 

 

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.

Такие

исследования были проведены

при

давлениях

воды от

10 до 120

кгс/см2 и давлениях рассола

— от

50 до 150

кгс/см2.

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

направлениях.

 

Однако более равномерное

и мелкое

разрушение

 

 

 

 

 

происходило

при

нагнетании

воды

 

 

 

 

 

в направлении,

перпендикулярном

 

 

 

 

 

напластованию. Характер разруше­

 

 

 

 

 

ния образцов показан па рис. 52.

 

 

 

 

 

Скорость

образования

трещин

 

 

 

 

 

подсчитывалась

для

наименьшей

 

 

 

 

 

длины трещины, разрушающей об­

 

 

 

 

 

разец, т. е. для 0,05 м. Она увели­

 

 

 

 

 

чивалась от 0,006 м/с при давлении

 

 

 

 

 

воды 50 кгс/см2 до 0,05 м/с при дав­

 

 

 

 

 

лении воды 120 кгс/см2. Эти данные

 

 

 

 

 

приблизительно совпадают с дан­

 

 

 

 

 

ными

 

американской

 

кампании

 

40 60 80

too ПО ПО 160

«Diamond

Alkali», впервые приме­

 

нившей

при

разработке

соляных

>

Давление, кгс/см2

параллельно

напластованию

месторождений способом подземно­

-^ —перпендикулярно ноплатоВанит

го растворения гидравлический раз­

 

 

 

 

 

рыв

пласта

для

создания

сбоек

Рис. 51. Зависимость скорости

между

рассолодобывающими

сква­

образования трещин в образцах

жинами. Скорость образования тре­

сильвинита от

давления воды

щин

при

этом находится

в

преде­

или рассола при нагнетании:

лах

0,002—0,036

м/с

(от

0,12 до

1 — нагнетание

воды;

2 — нагнета­

 

ние

рассола

 

2,14 м/мин.)

 

 

 

 

 

тания,

представлял

 

Рассол, применяемый для нагне­

собой насыщенный

при

температуре

20° С

раствор карналлита в воде плотностью 1210 кг/м3 со следующим

составом растворенного

вещества: MgCl2 — 94,98 кг/м3; КС1 —

89,82 кг/м3; NaCl — 134,98

кг/м3; CaS04 —2,03 кг/м3; нераствори­

мый остаток — 0,12 кг/м3.

 

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

 

 

 

 

 

можно объяснить проникновением не­

 

 

 

 

 

значительного количества воды между

 

 

 

 

 

кристаллами

за

счет адсорбционных

 

 

 

 

 

сил II, возможно, межкрпсталлическпм

 

 

 

 

 

растворением. Адсорбционные эффек­

 

 

 

 

 

ты

II

скорость

адсорбции

с повыше­

 

 

 

 

 

нием

давления

воды

незначительно

 

 

 

 

 

повышаются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Образцы после нагнетания рассо­

 

 

 

 

 

ла

не

показали

снижения

прочности

 

 

 

 

 

(за

исключением

образца

125), что

 

 

 

 

 

можно объяснить этими же причина­

 

 

 

 

 

ми: ввиду того что рассол плохо сма­

 

 

 

 

 

чивает II не растворяет соль п имеет

 

 

 

 

 

более высокую вязкость, проникнове­

 

 

 

 

 

ние его в ультратрещины между кри­

 

 

 

 

 

сталлами произойти не могло.

 

 

 

 

 

 

Образцы, не разрушенные при на­

 

Модление, кгс/смг

гнетании воды, но затем

выдержан­

Рис. 53. Зависимость энерго­

ные в течение двух месяцев, при по­

емкости

разрушения

образцов

следующем испытании на сжатие, не

сильвинита от

давления

воды

показали снижения прочности. Оче­

или рассола

при нагнетании

видно,

за это

время произошло зале­

(условные

обозначения

см.

на

чивание трещин в результате процес­

 

рнс. 51)

 

 

Для

проверки

данных

сов перекристаллизации.

сильвинита,

по характеру 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

исходил гидроразрыв. Величина давления разрушения

образца

в данном случае характеризовала прочность его на

гпдро-

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