В основе выполнения проекта лежит метод лабораторного моделирования образования и распространения трещины гидроразрыва. Исследования будут проводится на установке трехосного нагружения, разработанной в ИДГ РАН. Конструктивно установка состоит из двух горизонтальных оснований из нержавеющей стали толщиной 75 мм и диаметром 750 мм, между которыми расположена боковина с внутренним диаметром 430 мм. Основания между собой стягиваются шпильками, образуя рабочую камеру диаметром 430 мм при высоте 70 мм. В основаниях и боковине имеется ряд отверстий, которые могут использоваться для монтажа пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей, присоединения датчиков давления, а также для подачи рабочих жидкостей. В качестве модельного материала в данной установке будет использоваться смесь гипса с добавлением портландцемента, которая заливается в рабочий объем установки при снятом верхнем основании. Вопросы подобия и адекватности используемого модельного материала и параметров эксперимента применительно к гидроразрыву в полевых условиях, были рассмотрены в работе [Trimonova M., Baryshnikov N., Zenchenko E., Zenchenko P., Turuntaev S. The Study of the Unstable Fracure Propagation in the Injection Well: Numerical and Laboratory Modeling. SPE-187822-MS, 2017]. Во время отливки образца в нем формируется центральная рабочая скважина, в которую во время проведения эксперимента подается жидкость гидроразрыва с постоянным заданным расходом, а также две вспомогательных, предназначенных для насыщения образца поровой жидкостью.

   При сборке установки поверхность образца накрывается резиновой мембраной, поверх которой устанавливается верхнее основание. При этом между мембраной и основанием сохраняется небольшой зазор толщиной около 2 мм, который в ходе эксперимента заполняется водой под заданным давлением, создаваемым буферным объемом сжатого азота, что обеспечивает необходимое вертикальное напряжение в образце. Для задания горизонтальных напряжений на внутренней поверхности боковины были смонтированы четыре герметичные камеры из тонкой листовой меди со штуцерами, выведенными наружу через отверстия в боковине. Угловая длина каждой камеры составляет 80°. Штуцеры диаметрально противоположных камер соединяются между собой. Необходимые давления в парных камерах создаются при помощи ручного масляного насоса. Все четыре камеры также можно соединять между собой, чтобы создать равнокомпонентное поле горизонтальных напряжений.

   Мониторинг трещины гидроразрыва осуществляется путем регистрации ультразвуковых импульсов, проходящих через образец во время её роста. Сигналы с преобразователей подаются на предусилители, после чего регистрируются скоростным АЦП Е20-10 производства Л-Кард с частотой дискретизации 2,5 МГц на канал с непрерывной записью на жесткий диск компьютера. Ультразвуковые импульсы возбуждаются путём подачи на пьезопреобразователь электрических импульсов амплитудой около 200 В с задаваемым периодом повторения в диапазоне 20-1000 мс. Резонансная частота пьезопреобразователей составляет примерно 250 кГц. Помимо основного эксперимента на большой установке, также будут проведены калибровочные эксперименты по прохождению ультразвуковых импульсов через щель контролируемой апертуры между прецизионными цилиндрами из оптического стекла, заполненную жидкостью. Целью этих экспериментов является установление зависимостей параметров прошедшего ультразвукового импульса от апертуры щели и свойств заполняющей жидкости.

   Другая серия предварительных экспериментов будет проведена на цилиндрических образцах из того же материала, что и большой образец, но небольшого размера, диаметром 105 мм и высотой 60 - 100 мм. В ходе этих экспериментов в образце будет создаваться круговая трещина гидроразрыва, перпендикулярная оси цилиндра и выходящая на поверхность его образующей. Контролируя апертуру образовавшейся трещины, также будут исследованы параметры ультразвуковых импульсов, проходящих через нее. Целью этих экспериментов будет построение зависимостей параметров прошедшего ультразвукового импульса от апертуры щели и свойств заполняющей жидкости и сравнение их с идеальным случаем гладких поверхностей. Полученные закономерности позволят в дальнейшем устанавливать параметры трещин гидроразрыва, получаемых на большой установке. 

при поддержке