ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛАСТА

Техническое решение относится к научным моделям в геологии и предназначено для выявления зависимостей напряженно-деформированного состояния (далее - НДС) пластов, например, угольных, от различных их геометрических и физических характеристик, условий залегания и технологий отработки.

Известна модель пластов заданного удельного сопротивления по авторскому свидетельству СССР №98023, кл. G09B 23/40, опубл. 01.01.1954 г., выполненная в виде диска с отверстием в центре, собранного из одинаковых по размеру секторов, изготовленных из изоляционного материала, и погруженного в электролит, а необходимое удельное сопротивление получается путем удаления того или иного числа секторов и распределением оставшихся секторов равномерно по окружности.

Эту модель при изменении ее удельного сопротивления не деформируют. Поэтому такая модель не обеспечивает возможность определения характера ее деформации по удельному электрическому сопротивлению на различных ее участках, что обуславливает ее относительно низкую эффективность.

Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является электрическая модель нефтяного или другого жидкостного пласта по авторскому свидетельству СССР №59529, кл. G09B 23/40, опубл. 31.03.1941 г., состоящая из электропроводного слоя, в различных точках которого расположены переносные электроды, имитирующие скважины. Электропроводный слой выполнен из графита, нанесенного на матовую поверхность прозрачной пластины (из целлофана, целлулоидной пленки или тонкого стекла), с той целью, чтобы при изготовлении модели пласта можно было легко изменять электропроводность путем втирания, ретуширования или стирания графита.

Такая электрическая модель не позволяет образовывать в ней пустоты, имитирующие горные выработки. В ней не предусмотрен контроль ее НДС. Поэтому для изучения закономерностей механических процессов в модулируемом пласте, обусловленных горным давлением и различными техногенными воздействиями на него, эта электрическая модель пласта обладает относительно низкой эффективностью.

Решаемая техническая задача состоит в повышении эффективности электрической модели пласта за счет создания в ней сложного НДС, аналогичного НДС имитируемого пласта, и за счет контроля этого НДС по удельному электрическому сопротивлению в различных точках электрической модели пласта.

Задача решается тем, что в электрической модели пласта, включающей электропроводный слой с переносными электродами, согласно техническому решению электропроводный слой выполнен из вещества, удельное электрическое сопротивление которого зависит от давления на него, и содержит пустоты, имитирующие горные выработки.

Такое техническое решение, благодаря пустотам, имитирующим горные выработки, при внешней нагрузке, имитирующей горное давление, создает в электрической модели пласта сложное НДС, аналогичное тому, которое соответствует НДС имитируемого пласта. Благодаря тому, что электропроводный слой выполнен из вещества, удельное электрическое сопротивление которого зависит от давления на него, можно известными средствами измерения электрического сопротивления между заданными точками выявлять закономерности перераспределения механических напряжений в моделируемом пласте, обусловленные горным давлением, его отработкой и проходкой в нем выработок. Характер НДС электрической модели пласта определяют по относительному электрическому сопротивлению между различными точками. Поэтому абсолютная величина удельного электрического сопротивления вещества, из которого выполнен электропроводный слой, практически не имеет значения. Это позволяет варьировать компонентами указанного вещества в широком диапазоне и таким образом придавать электропроводному слою различные механические свойства, обеспечивающие его эквивалентность моделируемому пласту и, следовательно, достоверность результатов проводимых исследований. Электрическую модель пласта и пустоты в ней выполняют с учетом геометрических коэффициентов подобия. Механические напряжения в электрической модели пласта создают внешней нагрузкой известными способами и средствами, имитирующими горное давление на заданной глубине. Таким образом, создают условия, обеспечивающие возможность использования в экспериментах принципов подобия и эквивалентных материалов, что значительно повышает уровень исследований. В результате повышается эффективность электрической модели пласта за счет создания в ней сложного НДС, аналогичного НДС имитируемого пласта, и за счет контроля этого НДС по удельному электрическому сопротивлению в различных точках электрической модели пласта.

Целесообразно электропроводный слой размещать в среде, имитирующей породный массив, вмещающий моделируемый пласт. Такое техническое решение позволяет выявлять зависимости НДС моделируемого пласта от различных технологий его отработки, например, с закладкой или обрушением выработанного пространства, в восстающем или нисходящем порядке и т.д. Это повышает достоверность прогноза поведения моделируемого пласта при различных технологиях и, следовательно, повышает качество проектирования его отработки, что указывает на возрастание эффективности электрической модели пласта.

Целесообразно электропроводный слой выполнить из смеси электропроводного наполнителя, например графитового порошка, и легко расплавляющегося без изменения химического состава связующего, например парафина, серы, битума. Такое техническое решение позволяет выполнять электропроводный слой из вещества с электрическим сопротивлением, зависящим от давления на него, механические свойства которого можно изменять в широком диапазоне. При этом такое вещество можно использовать практически неограниченное число раз для выполнения из него тел различных размеров и форм. Это повышает эффективность электрической модели пласта, так как позволяет создавать ее многократно из одного и того же вещества и облегчает выполнение требований, обеспечивающих принципы подобия.

Целесообразно электропроводный слой выполнить из пластичного вещества, не изменяющего придаваемую ему форму без внешних воздействий. Это позволяет фиксировать максимальную деформацию электропроводного слоя, обусловленную его взаимодействием с вмещающей средой, в которой создают условия, имитирующие горной давление на заданной глубине. Благодаря этому можно после снятия с электропроводного слоя нагрузки и устранения вмещающей среды оценивать характер деформации электропроводного слоя также и визуально, что повышает эффективность электрической модели пласта за счет увеличения ее информативности.

Целесообразно электропроводный слой выполнить из смеси электропроводного наполнителя, например графитового порошка, и связующего, например солидола, пластилина, воска, обеспечивающего ему пластичность для сохранения придаваемой формы без внешних воздействий. За счет этого удается придавать указанному веществу требуемые свойства путем использования доступных и сравнительно дешевых средств, что повышает эффективность электрической модели пласта.

Сущность технического решения поясняется примером реализации электрической модели пласта и чертежом, на котором показана схема электрической модели пласта в вертикальном разрезе.

Электрическая модель пласта включает электропроводный слой 1 (далее - слой 1) с переносными электродами 2 и 3 (далее - электроды 2 и 3). Слой 1 выполнен из вещества, удельное электрическое сопротивление которого зависит от давления на него, и содержит пустоты, имитирующие горные выработки. Слой 1 может быть размещен в среде, состоящей из двух частей 4 и 5 и имитирующей породный массив, вмещающий моделируемый пласт. Слой 1 может быть выполнен из смеси электропроводного наполнителя, например графитового порошка, и легко расплавляющегося без изменения химического состава связующего, например парафина, серы, битума. Слой 1 может быть также выполнен из пластичного вещества, не изменяющего придаваемую ему форму без внешнего воздействия. Для этого в качестве указанного вещества можно использовать смесь электропроводного наполнителя, например графитового порошка, и связующего, например солидола, пластилина, воска, обеспечивающего указанному веществу пластичность. Электроды 2 и 3 через подсоединенные к ним провода 6 и 7 и коммутатор 8 подключают к измерителю 9 электрического сопротивления (далее - измеритель 9). На чертеже показан вариант электрической модели пласта для изучения механических явлений в моделируемом пласте пологого залегания, отрабатываемого с обрушением кровли в выработанное пространство 10, заполняемого выпавшей из кровли горной породой 11. Обрушение кровли происходит с предварительным образованием в ней трещин 12 различной направленности под действием горного давления и собственного веса. Для имитации горного давления на поверхность среды укладывают упругий металлический лист 13 (далее - лист 13). Затем лист 13 равномерно нагружают, например, с помощью воздушной подушки (на чертеже не показано), известным способом.

Электрическая модель пласта работает следующим образом.

На среду с размещенным в ней слоем 1 воздействуют внешней нагрузкой, имитирующей горное давление на глубине залегания моделируемого пласта известными способами и средствами. Эта нагрузка передается слою 1 и распределяется в нем неравномерно в зависимости от параметров пустот и нарушений в слое 1 и во вмещающей его среде. Таким образом, слой 1 оказывается в сложном НДС и давление в разных его точках становится не одинаковым. В свою очередь, благодаря использованию вещества, из которого выполнен слой 1, с указанными свойствами, адекватно изменению давления на него меняется удельное электрическое сопротивление слоя 1 в соответствующих местах. Измеряют электрическое сопротивление между множеством различных точек в слое 1, например, с помощью коммутатора 8 и измерителя 9, и определяют удельное электрическое сопротивление в разных местах слоя 1 известными способами. Затем, используя зависимость удельного электрического сопротивления указанного вещества от давления на него, определенную предварительно, по значениям удельного электрического сопротивления оценивают величины напряжений в различных местах слоя 1, после чего определяют характер НДС слоя 1.

На чертеже представлен упрощенный вариант сравнительно широко распространенной технологической схемы отработки пологого угольного пласта с обрушением кровли в выработанное пространство. Часть 4 среды имитирует кровлю, которая разрушается, обрушается в выработанное пространство 10 и существенно влияет на НДС слоя 1. Поэтому она выполнена из эквивалентного материала. Часть 5 среды имитирует неразрушающуюся почву. Ее механические характеристики оказывают слабое (не существенное) влияние на результаты моделирования. Поэтому для удобства измерений она выполнена из листа прочного диэлектрического материала с множеством сквозных отверстий (на чертеже не обозначены), через которые пропущены электроды 2, контактирующие со слоем 1. Электроды 2 подсоединены к коммутатору 8 через проводники 6, которые на чертеже не объединены в жгут для наглядности. Фактически проводники 6 уложены в канавки (на чертеже не показано), выполненные в дне указанного листа (части 5 среды) и затем объединены в жгут, подсоединенный к коммутатору 8, например, через разъем (на чертеже не показан). Для уменьшения количества электродов 2 и 3 используют общий для всех электродов 2 один электрод 3. Электрод 3 может быть выполнен из практически не влияющего на обрушение кровли (части 4 среды) тонкого хрупкого листа с высокой электрической проводимостью, например из спрессованного графита. Однако для снижения трудоемкости подготовки экспериментов в качестве электрода 3 во многих случаях целесообразно использовать легкодеформируемую электропроводную сетку из тонкой металлической проволоки.

Для моделирования многих процессов в области механики горных пород размещение слоя 1 в среде, имитирующей породный массив, вмещающий моделируемый пласт, не является обязательным. Например, моделирование изменения формы поперечного сечения горной выработки, обусловленное неравномерностью распределения по ее контуру горного давления, целесообразно проводить на блоке со сквозным отверстием с формой поперечного сечения, соответствующей форме модулируемой горной выработки, на внешние поверхности которого воздействуют силовыми элементами, создающими нагрузки с различными усилиями и направлениями. Кроме того, для некоторых условий изменение формы поперечного сечения отверстия можно определять аналитически по известным формулам. Например, при одноосном сжатии блока поперечное сечение предварительно созданного в нем круглого отверстия с известным диаметром становится эллипсовидным с аналитически определяемыми размерами. Для таких случаев можно осуществлять сопоставительный анализ результатов, полученных разными путями с целью оценки достоверности и точности получаемой при использовании предлагаемой электрической модели пласта информации.

В качестве вещества для изготовления электрической модели пласта можно использовать смесь графитового порошка и связующего его материала, который легко расплавляется без изменения химического состава. Основное преимущество такого вещества состоит в возможности многократного его использования, что, очевидно, существенно снижает стоимость проводимых экспериментов. Вещество приготавливают при температуре, когда связующий графитовый порошок материал оказывается жидким. Вещество размешивают до равномерного распределения в нем частиц графитового порошка, подают в соответствующие формы и остужают. Затем при температуре проведения экспериментов определяют механические характеристики вещества. Если механические характеристики вещества оказываются за пределами допустимых значений, определенных из условий подобия с моделируемым объектом (пластом), то вещество нагревают и добавляют в него в зависимости от направления, в котором следует изменить его параметры, графитовый порошок или связующий материал. Такие операции повторяют до придания веществу требуемых механических характеристик. Затем определяют удельную электрическую проводимость вещества также при температуре проведения экспериментов. Отметим, что эксперименты предполагается проводить в закрытом помещении при фиксированной температуре, например 18÷20°. При этом разброс температуры в несколько градусов не оказывает значительного влияния на конечный результат. Поэтому размещение электрической модели пласта в климатической камере практически не требуется.

Следует отметить ряд особенностей, связанных с электрической моделью пласта, выполненной из пластичного вещества, сохраняющего придаваемую ему форму без внешнего воздействия. В пластичном веществе слабо проявляются упругие напряжения и поэтому после стабилизации размеров образованного из него тела от внешнего силового воздействия давление внутри него стремиться к равномерному распределению и, следовательно, удельное электрическое сопротивление в различных местах стремиться стать одинаковым. Однако это не означает, что зависимость удельного электрического сопротивления от давления здесь оказывается несущественной. Согласно результатам исследований после придания указанному веществу заданной формы внешним воздействием и фиксации размеров образовавшегося тела, процесс выравнивания внутри него давления может длиться сравнительно долгое время, исчисляемое часами и даже сутками. Выявление закономерностей протекания таких процессов стало возможным по функциям временного изменения удельного электрического сопротивления в различных местах именно благодаря указанной зависимости. Отметим, что в породных массивах процессы перераспределения давления внутри некоторой области, не изменяющей форму и размеры внешних границ, протекают достаточно часто и учет их особенностей имеет существенное значение для создания эффективных технологий отработки различных пластов и обеспечения высокой безопасности ведения горных работ. Например, при дегазации угольных пластов давление в них перераспределяется на протяжении всего периода дегазации, исчисляемого месяцами, практически без изменения размеров самих пластов. В нефтяном пласте после извлечения из него легко текучей нефти остается неизвлекаемая традиционными способами высоковязкая (пластичная) масса из органических соединений, с объемом, в большинстве случаев превышающим объем добытой нефти, в которой затем длительное время протекает процесс перераспределения давления, влияние которого на возможность повышения эффективности добычи нефти остается слабо изученным. Отметим, что предполагается также определять электрическое сопротивление также и между электродами 2, воткнутыми в слой 1 и меняющими местоположение в результате его деформации. Это позволяет оценивать геометрические параметры пласта после стабилизации электрических величин.

В предлагаемой электрической модели пласта реализуется идея использования слоя 1 в качестве преобразователя механических величин в электрические величины. Благодаря этому в измеряемых величинах содержится информация о процессах, протекающих внутри слоя 1 без внедрения в него датчиков, повышающих не только трудоемкость и стоимость моделирования, но и влияющих на механические свойства слоя 1, что снижает достоверность получаемых результатов исследований. Вывод информации можно осуществлять через известные коммутирующие и многоканальные системы на дисплеи, наблюдая и записывая процессы внутри указанной модели в реальном или измененном в удобном для анализа масштабе времени. Очевидно, что предлагаемое техническое решение не ограничивается представленным примером на чертеже. Его предполагается использовать для оперативной экспертной оценки эффективности различных технологий отработки пластов с учетом их свойств и условий залегания, начиная со стадии проектирования разработки месторождений полезных ископаемых.