В Институте динамики геосфер РАН был проведен эксперимент по определению характера распространения трещины гидроразыва в модельном образце. Материал образца (смесь гипса с цементом) и условия проведения эксперимента выбирались согласно критериям подобия, выведенным для случая радиальной трещины [4, 5]. Это дает нам право говорить о подобии физических процессов, воссоздававшихся в эксперименте, с процессами в реальных ситуациях. Фильтрационные и прочностные свойства гипса измерялись экспериментально. Результаты экспериментов подробно описаны в предыдущих работах авторов [6].
Для проведения эксперимента по гидроразрыву пласта отливался цилиндрический образец диаметром 105 мм и высотой 65 мм с центральным отверстием диаметром 15 мм. Образец зажимался между двух алюминиевых оснований с нагрузкой, обеспечивающей вертикальные (по оси цилиндра) напряжения в образце около 1,5 МПа, что обеспечивало прорастание трещины гидроразрыва в вертикальной плоскости. В основаниях были проделаны каналы с выходом в центральное отверстие в образце. Через канал в нижнем основании осуществлялась подача жидкости с постоянным расходом. Через канал в верхнем - измерялось давление в центре образца.
Рисунок 1 – Схема установки с гипсовым образцом, фотография образца во время эксперимента и вид сверху образца с трещиной.
В качестве рабочей жидкости использовалось вакуумное масло. Масло нагнеталось в образец с помощью насосной установки, обеспечивающей постоянный расход. На входе в образец был установлен тензопреобразователь, выходной сигнал с которого поступал на внешний АЦП. В ходе эксперимента кривая изменения давления в скважине отображалась на мониторе компьютера, что позволяло контролировать ход процесса. Момент образования и роста трещины гидроразрыва фиксировался по спаду давления на входе в скважину, что служило сигналом к прекращению закачки. Также, благодаря тому, что в основаниях установки были расположены приемники акустической эмиссии, образование трещины удалось зафиксировать по записям импульсов акустической эмиссии с этих приемников. Запись данных приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Изменение давления в скважине (верхний график) и амплитуда импульсов АЭ (нижний график) во времени
После проведения эксперимента, в котором трещина не достигла границ образца, образец был изъят из установки и расколот Бразильским методом вдоль трещины. Профиль трещины показан на рисунке 3.
Рисунок 3 – Разлом образца по трещине ГРП. Обсадная трубка извлечена
По фотографии четко выделяется сухая часть трещины – лаг и часть, заполнившаяся жидкостью при проведении ГРП. Таким образом, приведенный эксперимент подтверждает предположение, на котором строится одна из основных теорий развития трещин ГРП.
Также был проведен эксперимент, в котором создавалась не вертикальная трещина а горизонтальная благодаря увеличению горизонтальных нагрузок по сравнению с вертикальной. Выход трещины и выход масла на боковую поверхность образца были засняты на видеокамеру. Последовательные снимки представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Процесс образования трещины гидроразрыва.
Из рисунка 4 видно, что сначала образовалась сухая трещина, которая только потом стала заполняться маслом. Скорость роста трещины можно оценить величиной 130 мм/сек, скорость движения фронта жидкости – величиной 70 мм/сек. Данный эксперимент также подтверждает наличие лага при развитии трещины гидроразрыва.
Литература
1) Barenblatt, G. I. (). The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks Formed in Brittle Fractures. In H. L. Dryden, T. von Karman (Eds.), Advances in Applied Mechanics, New York: Academic Press 1961. 7.
2) Adachi J. I., Detournay E. Self-similar solution of a plane-strain fracture driven by a power-law fluid. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 2002. 26. 579–604.
3) Garagash D. I. Transient solution for a plane-strain fracture driven by a shear-thinning, power-law fluid. Department of Civil and Environmental Engineering, Clarkson University, Potsdam, NY 13699-5710, U.S.A. INTERNATIONAL , 158 JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS IN GEOMECHANICS Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. (in press) Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI: 10.1002/nag.535
4) C.J. de Pater, M.P. Cleary, T.S. Quinn. Experimental Verification of Dimensional Analysis for Hydraulic Fracturing. SPE Production & Facilities. 1994, November: 230-238.
5) C.J. de Pater, Leen Weijers, Miloi Savic. Experimental Study of Nonlinear Effects in Hydraulic Fracture Propagation. SPE Production & Facilities. 1994, November: 239-249.
6) M. Trimonova, N. Baryshnikov, E. Zenchenko, P. Zenchenko, S. Turuntaev. The Study of the Unstable Fracure Propagation in the Injection Well: Numerical and Laboratory Modeling. SPE-187822-MS. 2017.
