Метод экспериментального определения деформационных и фильтрационных характеристик горных пород регулярно-блочной структуры

Разработан и в лабораторных условиях апробирован метод количественной оценки деформационных и фильтрационных свойств горных пород квазирегулярной структуры, в основе которого лежит идея физического осреднения, когда эксперименты проводятся на образцах из однотипных структурных элементов. Из искусственного геоматериала (смесь калиброванного песка и криогеля в соотношении 7:3) по оригинальной технологии изготовлены пластины 10×7×1 см и цилиндры (диаметр 3 см, высота 6 см). Последние испытаны по стандартным методикам, определены модуль Юнга Е = 370 МПа, предел прочности на одноосное сжатие и проницаемость km = 8,4 Д искусственного геоматериала. Из шести пластин компоновался слоистый образец с пятью нарушениями сплошности, осуществлялось мягкое ступенчатое нагружение (s(n) – напряжение) в направлении, ортогональном нарушениям. По измеренному укорочению образца при известной Е находились эмпирические константы двухпараметрической дробно-линейной функции, описывающей зависимость конвергенции берегов и раскрытости нарушений d от s. Затем образец с изолированной боковой поверхностью помещался в герметичную камеру и подвергался ступенчатому сжатию по той же программе. На каждом шаге нагружения n проводились фильтрационные испытания и в стационарном режиме регистрировался расход газа Qni при заданном входном давлении Pi. Разработана геомеханическая модель эксперимента и с использованием полученного аналитического решения проведена интерпретация данных испытаний: при известных d и km по Qni рассчитана проницаемость нарушений сплошности kf при каждом значении s. Установлены эмпирические зависимости kf (d) и kf (s).

Назаров Л. А., Голиков Н. А., Скулкин А. А., Назарова Л. А. Метод экспериментального определения деформационных и фильтрационных характеристик горных пород регулярно-блочной структуры // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 11. – С. 70–81. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_70.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-27-00339).

Назаров Леонид Анатольевич¹ — д-р физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, e-mail: mining1957@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9857-295X,
Голиков Никита Александрович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник,  e-mail: golikovna@ipgg.sbras.ru, ORCID ID: 0000-0001-8101-230X,
Скулкин Александр Александрович¹ — младший научный сотрудник, e-mail: chuptt@yandex.ru,
Назарова Лариса Алексеевна — д-р физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, e-mail: larisa.a.nazarova@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-3712-2939, Институт горного дела им. Н.А.Чинакала СО РАН,
¹ Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.

Назаров Л.А., e-mail: mining1957@mail.ru.

1. Рубан А. Д., Артемьев В. Б., Забурдяев В. С., Захаров В. Н., Логинов А. К., Ютяев Е. П. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов. — М.: Изд-во «Горная книга», 2010. — 500 с.

2. Schissler A. P. Coal mining, design and methods of / Encyclopedia of Energy. Cleveland C. J. (Ed.), Elsevier, 2004, pp. 485—494. DOI: 10.1016/b0-12-176480-x/00284-9.

3. Забурдяев В. С., Малинникова О. Н., Трофимов В. А. Метанообильные шахты: добыча угля, газовыделение, метановая опасность. — Калуга: ООО «Манускрипт», 2020. — 334 с.

4. Thakur P. Advanced reservoir and production engineering for coal bed methane. Houston, Gulf Professional Publishing, 2016, 404 р. DOI: 10.1016/B978-0-12-803095-0.00013-2.

5. Mosleh M. H., Sedighi M., Babaei M., Turner M. Geological sequestration of carbon dioxide / Managing Global Warming, Letcher T. M. (Ed.). Academic Press, 2019, pp. 487—500. DOI: 10.1016/b978-0-12-814104-5.00016-8.

6. Nazarov L. A., Nazarova L. A. Some geomechanical aspects of gas recovery from coal seams // Journal of Mining Science. 1999, vol. 35, no. 2, pp. 135—145. DOI: 10.1007/BF02565367.

7. Захаров В. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А., Шляпин А. В. О дегазации углепородного массива в кровле отрабатываемого угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 11. — С. 20—36. DOI: 10.25018/0236_1493_20 22_11_0_20.

8. Robinson P. R., Hsu C. S. Introduction to petroleum technology / Springer Handbook of Petroleum Technology. Cham, Springer. 2017, pp. 1—83. DOI: 10.1007/978-3-319-49347-3_1.

9. Аверин А. П., Белоусов Ф. С., Пашичев Б. Н., Трофимов В. А. Закономерности фильтрации газа через образец горной породы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 10. — С. 100—111. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_10_0_100.

10. Seidle J. Foundations of coalbed methane reservoir engineering. PennWell Books, 2011, 416 p.

11. Тайлаков О. В., Макеев М. П., Уткаев Е. А. Определение коллекторских свойств угля на основе численного моделирования и в лабораторных исследованиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 9. — С. 99—108. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2022_9_0_99.

12. Назарова Л. А., Назаров Л. А., Полевщиков Г. Я., Родин Р. И. Определение коэффициента диффузии и содержания газа в угле на основе решения обратной задачи // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2012. — № 5. — С. 15—23. DOI: 10.1134/S1062739148050024.

13. Pan Z., Connell L. D. Modelling permeability for coal reservoirs. A review of analytical models and testing data // International Journal of Coal Geology. 2012, vol. 92, pp. 1—44. DOI: 10.1016/j.coal.2011.12.009.

14. Thomas L. J., Thomas L. P. Coal geology. John Wiley & Sons, 2002, 384 p.

15. Дорофеева Т. В., Краснов С. Г., Лебедев Б. А., Петрова Г. В., Позиненко Б. В. Коллекторы нефтей Баженовской свиты Западной Сибири. — Л.: Недра, 1983. — 131 c.

20. Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Зависимость проницаемости угольного пласта от газосодержания и действующих напряжений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 2. — С. 16—25. DOI: 10.1134/S1062739116020345.

Литературу с п. 16 по п. 19 и с п. 21 по п. 29 смотри в REFERENCES.

30. Назарова Л. А., Назаров Л. А., Голиков Н. А., Скулкин А. А. Зависимость проницаемости геоматериалов от напряжений по данным лабораторных экспериментов на цилиндрических образцах с центральным отверстием // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 5. — С. 18—25. DOI: 10.15372/FTPRPI20190503.

31. Tan R., Chai J., Cao C. Experimental investigation of the permeability measurement of radial flow through a single rough fracture under shearing action // Advances in Civil Engineering. 2019, vol. 2019, article 6717295. DOI: 10.1155/2019/6717295.