МОДЕЛЬ ТРЕЩИНОВАТОГО ГОРНОГО МАССИВА
FRACTURED ROCK MASSIF MODEL

Изобретение относится к области горного дела, а более конкретно к лабораторным исследованиям механизма фильтрации жидкостей в трещиноватых горных породах, и может быть использовано при извлечении метана из угольных пластов с предварительным их гидроразрывом, а также в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях и научных организациях.
Известна модель трещины флюидоразрыва, образованная двумя недеформируемыми блоками размером 0,1×0,2 м, зазор между которыми моделирует трещину (Хямяляйнен В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - С.237-242). В трещину укладывают закрепляющий материал. Для моделирования горного давления модель помещают под пресс, после чего через трещину прокачивают воду.
Однако конструкция данной модели не учитывает деформации горного массива и не позволяет моделировать вдавливание твердых закрепляющих частиц в стенки трещины исследуемого массива.
Наиболее близкой к изобретению является модель трещиноватого горного массива, включающая щель между блоками с закрепляющим материалом (Авторское свидетельство СССР №1035216, кл. E21C 39/00, 1982). В указанной модели блок деформируем и расположен за пределами щели.
Указанная модель учитывает деформации массива горных пород, но не позволяет моделировать процесс вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива, так как деформируемый блок и щель отделены друг от друга и твердые закрепляющие частицы не соприкасаются с деформируемым блоком.
При создании щели непосредственно между двумя деформируемыми блоками процесс вдавливания закрепляющего материала зависит от величины давления пресса (горного давления), свойств эквивалентного материала деформируемого блока, свойств закрепляющего материала и практически неуправляем, что не дает возможности моделирования вдавливания твердых закрепляющих частиц в массив горных пород.
Техническим результатом изобретения является повышение точности моделирования процесса закрепления трещин гидроразрыва и взаимодействия закрепляющего материала со стенками трещин в деформируемых породах, а именно учет вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива.
Технический результат достигается тем, что в модели трещиноватого горного массива, включающей щель между блоками с закрепляющим материалом, согласно изобретению щелеобразующие поверхности блоков имеют ячеистую форму, при этом размеры ячеек соответствуют геометрии закрепляющих частиц и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород.
Таким образом, основная идея предложенной модели заключается в моделировании деформаций массива горных пород при вдавливании твердых закрепляющих частиц в стенки трещины исследуемого массива путем использования недеформируемых блоков с ячеистой формой их щелеобразующих поверхностей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен разрез предлагаемой модели, на фиг.2 - сечение А-А.
Модель включает корпус 1, верхний 2 и нижний 3 подвижные блоки, поверхности которых имеют ячеистую форму, при этом размеры ячеек соответствуют геометрии частиц закрепляющего материала 4 и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород. Помимо этого ячейки на поверхности подвижных блоков 2 и 3 размещают с учетом необходимой поверхностной концентрации частиц закрепляющего материла 4. В корпусе 1 имеются отверстия для подключения датчиков давления 5 и температуры 6, а также ввода 7 и вывода 8 флюида. Для исключения утечек флюида через зазор между блоками 2 и 3 и корпусом 1 боковые поверхности блоков 2 и 3 покрывают герметиком.
Модель работает следующим образом.
2
Перед началом проведения эксперимента снимают верхний блок 2 и на щелеобразующую поверхность нижнего блока 3 укладывают исследуемый закрепляющий материал 4 (например, песок), при этом фиксируют его поверхностную концентрацию (кг/м). Для моделирования горного давления модель помещают под гидравлический пресс. В процессе проведения эксперимента фиксируют расстояние между щелеобразующими поверхностями (раскрытие щели). После окончания нагружения с помощью насоса через щель с расположенным в ней закрепляющим материалом 4 прокачивают жидкость (например, воду) с достаточно низкой скоростью потока во избежание условий, при которых нарушается закон Дарси. Падение давления по длине потока нагнетаемой жидкости в щели определяют по показаниям манометров. После стабилизации перепада давления фиксируют его величину, а также расход жидкости через закрепленную щель и температуру флюида. По результатам замеров параметров установившейся фильтрации жидкости с учетом ее динамической вязкости и геометрических размеров щели вычисляют коэффициент проницаемости.
Таким образом, предлагаемая модель позволяет моделировать процесс закрепления трещин гидроразрыва с учетом вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива горных пород.
Исследование процесса закрепления трещин разрыва и механизма фильтрации флюидов через закрепленные трещины позволяет повысить их проницаемость и усовершенствовать способы гидроразрава горных пород, что в свою очередь позволяет, например, применительно к технологии добычи метана из угольных пластов увеличить дебит углеметановых скважин.