Interaction between Injection Points during Hydraulic Fracturing

We present a model of the hydraulic fracturing of heterogeneous poroelastic media. The formalism is an effective continuum model that captures the coupled dynamics of the fluid pressure and the fractured rock matrix and models both the tensile and shear failure of the rock. As an application of the formalism, we study the geomechanical stress interaction between two injection points during hydraulic fracturing (hydrofracking) and how this interaction influences the fracturing process. For injection points that are separated by less than a critical correlation length, we find that the fracturing process around each point is strongly correlated with the position of the neighboring point. The magnitude of the correlation length depends on the degree of heterogeneity of the rock and is on the order of 30-45 m for rocks with low permeabilities. In the strongly correlated regime, we predict a novel effective fracture-force that attracts the fractures toward the neighboring injection point.Comment: Submitte

ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЕ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПОТОКАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

The article deals with the results of thermohydrodynamic processes in a spraying chamber with direct gas flow and counter-current flows. The upper gas distribution device in a spraying chamber is shaped as a grid system, while the bottom device represents a branch pipe with a swirler pointing upwards. The chamber features counter-current flow interactions, and the bottom flow is introduced as a swirling jet. The experimental calculations of gas axial flow rates, temperature and thermal conductivity distribution in different chamber sections are provided. The thermal conductivity properties were determined with the normal mode method. The study was performed with ball-shaped sensors made of materials with high thermal conductivity (copper, brass) with centered thermocouples. The upper gas distribution system in the form of two grids (if no bottom gas inlet was involved) was found to build up an axisymmetric thermal conductivity model, and, consequently, the model-specific gas distribution in the spraying chamber. Referring to the study device, a hole (nozzle) near the burner results in asymmetric pattern, irregular gas distribution and generation of low-activity areas. Thermal conductivity values in the chamber central area turn to be higher than at the peripheral areas due to gas jet flow. Besides, heat exchange intensity in the chamber central area decreases significantly upon distance from the chamber floor. An extra bottom inlet of heat medium and creation of counter flows was shown to result in substantial increase in thermal conductivity (1.5–2 times) in the chamber central paraxial area and lower section, thus evidencing the hydrodynamic activation and heat and mass exchange intensification, which benefits to more effective use of chamber capacity and improved drying performance.Обсуждаются результаты исследования термогидродинамических процессов в распылительной камере с прямоточным движением газа и встречными потоками. Верхнее устройство газораспределения в распылительной камере выполнено в виде системы решеток, а нижнее представляет собой патрубок с завихрителем, направленным вверх. В камере реализовано встречное взаимодействие потоков, причем нижний поток вводится в виде закрученной струи. Приведены результаты экспериментальных исследований осевой составляющей скорости газа, распределения температуры и коэффициента теплоотдачи в различных сечениях камеры. Коэффициент теплоотдачи определялся методом регулярного режима. Измерения проводились шарообразными датчиками из материалов с высокой теплопроводностью (меди, латуни) с зачеканенной по центру термопарой. Установлено, что верхняя система газораспределения в виде двух решеток (при отсутствии нижнего дополнительного ввода газа) позволяет достигнуть осесимметричного распределения коэффициента теплоотдачи, а следовательно, и газораспределения в распылительной камере. Для исследованного устройства наличие отверстия (сопла) около форсунки приводит к несимметричности профиля, неравномерности газораспределения и образованию малоактивных зон. Значения коэффициента теплоотдачи в центральной зоне камеры значительно выше, чем в периферийной зоне, что обусловлено струйным течением газа. При этом с удалением от перекрытия интенсивность теплообмена в центральной области камеры существенно снижается. Показано, что дополнительный нижний ввод теплоносителя и создание режима встречных потоков приводит к значительному увеличению в 1,5−2 раза коэффициента теплоотдачи в центральной приосевой зоне и нижней части камеры и свидетельствует об активизации гидродинамического режима и интенсификации тепломассообмена. Это способствует более эффективному использованию объема камеры и повышению ее влагонапряженности.

Тепломассоперенос в продуваемом слое растительных материалов при циклическом микроволновом энергоподводе

The results of modeling and experimental study of heat and mass transfer in a dense blown layer of plant materials under cyclic microwave exposure are presented. The two-dimensional mathematical model consists of the equations of conservation of the mass of the gas phase, filtration, heat and mass transfer in phases, which take into account the internal resistance to heat and moisture transfer in the particles when determining the heat and mass transfer coefficients. In this case, the dependences of the heat of the phase transition on the humidity of the particles, their shrinkage during dehydration, and the dependences of the effective coefficients of thermal conductivity of the gas and vapor diffusion on the filtration rate are taken into account. The simulation results of drying chopped potatoes in a dense layer with a cyclic microwave convective energy supply are presented. The possibility of intensifying the process of moisture dehydration and reducing its duration compared with the convective method is shown. Comparison of calculated data with experimental data confirms the adequacy of the model.Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования тепломассопереноса в плотном продуваемом слое растительных материалов при циклическом микроволновом воздействии. Двумерная математическая модель состоит из уравнений сохранения массы газовой фазы, фильтрации, тепло- и массопереноса в фазах, которые учитывают внутреннее сопротивление переносу теплоты и влаги в частицах при определении коэффициентов тепло- и массоотдачи. При этом учитываются зависимости теплоты фазового перехода от влажности частиц, их усадки в процессе дегидратации, зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности газа и диффузии пара от скорости фильтрации. В качестве примера приводится моделирование сушки нарезанного картофеля в плотном слое при циклическом СВЧ-конвективном энергоподводе. Показана возможность интенсификации процесса дегидратации влаги и сокращения его продолжительности по сравнению с конвективным способом. Выполнено сравнение расчетных данных с опытными данными, подтверждающее адекватность модели

Новые волокнистые аниониты на основе полиакрилонитрильных волокон

A new method of obtaining new anion exchange fibers from «nitron», a polyacrylonitrile fiber, has been developed, and physicochemical properties of these fibers have been investigated. Water participation as a reagent in the reaction of amina-tion has been proved. Optimal molar ratio of reagents (DETA, water, С^Т (section of PAN)) and duration of the reaction have been established. It has been demonstrated that an anionite with exchange capacity 25-50 % greater than that of available fibers FIBAN А-5 can be prepared by this method.Разработан способ получения и изучены физико-химические и механические свойства новых анионооб-менных волокон на основе полиакрилонитрильного волокна «нитрон». Доказано участие воды в реакции ами-нирования в качестве реагента. Установлены оптимальные мольные соотношения реагентов (ДЭТА : Н2О : С≡N) и продолжительность реакции. Показана возможность получения анионитов с обменной емкостью на 25-50% большей по сравнению с выпускаемым волокном ФИБАН А-5

Керамоматричный композит из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода для электродов суперконденсаторов

The results of studies on the production of a porous ceramic-matrix composite material C–N/SiC from silicon carbide and nitrogen-doped nanostructured carbon for subsequent use as supercapacitor electrodes are presented. The material is formed by pressing silicon carbide micropowder (1 µm) and impregnating with a solution of carbamide (nitrogen source) in phenol-formaldehyde varnish (carbon source), curing and pyrolysis in a nitrogen atmosphere. The maximum concentration of carbamide was obtained in the solution (16 wt.%) at 50 ºС with a viscosity of 134.3 mPa⋅s. Thermogravimetric analysis in nitrogen of the cured solution revealed multistage decomposition with a residual mass of C–N of 48 % at 1000 ºС. Studies of the elemental composition showed a nitrogen content of 1.4 wt.% in C–N/SiC composite (up to 7 % of C–N active mass). In the composite structure, the C–N carbon-nitrogen layer (up to 12 wt.%) distributed inside the matrix pores and covering the SiC grains is X-ray amorphous has a complex nanoscale relief with an average pore size of 1.0–1.5 nm. According to electrochemical studies, the specific capacitance of the C–N/SiC material and the C–N active layer is 16.84 and 153.2 F/g respectively, and the equivalent resistance of the test supercapacitor cell with C–N/SiC electrodes is 0.567 Ohm for samples with maximum doping. The electrodes operate according to the sorption-desorption mechanism of charge accumulation and release, which is typical for a classic supercapacitor based on a double electric layer without the presence of redox reactions on the electrodes. The influence of technological regimes of pyrolysis on the electrophysical parameters of the cell is revealed: lower values of the pyrolysis temperature and nitrogen pressure in the chamber lead to an increase of the material specific capacitance and reduction of the cell equivalent resistance. The obtained results demonstrate the possibility of utilizing C–N/SiC material for the manufacture of supercapacitor electrodes.Представлены результаты исследований по получению пористого керамоматричного композитного материала C–N/SiC из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода. Материал сформирован посредством прессования микропорошка (1 мкм) карбида кремния и пропитки раствором карбамида (источ ник азота) в фенолформальдегидном лаке (источник углерода), сушки и пиролиза в атмосфере азота. Получена максимальная при 50 °С концентрация карбамида в растворе (16 мас.%) с вязкостью 134,3 мПа·с. Термогравиметрический анализ в азоте высушенного раствора выявил многостадийное разложение с остаточной массой C–N 48 % при 1000 °С. Исследования элементного состава показали содержание азота 1,4 мас.% в композите C–N/SiC (до 7 % от активной массы C–N). В структуре композита углерод-азотный слой C–N (до 12 мас.%), распределенный внутри пор матрицы и покрывающий зерна SiC, является рентгеноаморфным и обладает комплексным наноразмерным рельефом со средним размером пор 1,0–1,5 нм. По данным электрохимических исследований удельная емкость материала C–N/SiC и активного слоя C–N составляет 16,84 и 153,2 Ф/г соответственно, а эквивалентное сопротивление тестовой суперконденсаторной ячейки с электродами C–N/SiC равно 0,567 Ом для образцов с максимальным допированием. Электроды работают по сорбционно-десорбционному механизму накопления и отдачи заряда, что характерно для классического суперконденсатора, работающего на двойном электрическом слое без присутствия окислительно-восстановительных реакций на электродах. Выявлено влияние технологических режимов пиролиза на электрофизические параметры ячейки: более низкие значения температуры пиролиза и давления азота в камере позволяют повысить удельную емкость материала и понизить эквивалентное сопротивление ячейки. Полученные результаты демонстрируют возможность применения C–N/SiC-материала для изготовления электродов суперконденсаторов

Синтез и свойства новых сильноосновных волокнистых анионитов

A synthesis method of new fibrous anion exchangers with strong base groups has been developed. The synthesis was carried out by alkylation of weakly basic anion exchangers based on polyacrylonitrile fiber using two alkylating agents: epichlorohydrin and ethylene chlorohydrin. The influence of the reaction conditions on the physicochemical properties of new anion exchangers was investigated. The synthesis parameters were determined: the molar ratio of “amino groups: alkylating agent”, the concentration of the alkylating agent, the reaction time and temperature – to obtain anion exchangers with maximum exchange capacity for strong base groups. New strongly basic fibers possess satisfactory mechanical properties allowing their processing into various textile forms.Отработана методика синтеза новых волокнистых анионитов с сильноосновными группами путем алкилирования слабоосновных анионитов на основе полиакрилонитрильного волокна с помощью двух алкилирующих агентов: эпихлоргидрина и этиленхлоргидрина. Исследовано влияние условий получения новых анионитов на их физико-химические свойства. Определены параметры синтеза: мольное соотношение «аминогруппы : алкилирующий агент», концентрация алкилирующего агента, время и температура реакции для получения анионитов с максимальной обменной емкостью по сильноосновным группам. Показаны удовлетворительные механические свойства новых сильноосновных волокон для их переработки в различные текстильные формы

Высокотеплопроводная карбидокремниевая керамика для крупногабаритной космической оптики

The paper describes the important aspects of the developed technology for manufacturing silicon-carbide substrates for optical mirrors intended for future use in space applications. It is shown that the material with the best combination of thermophysical and mechanical properties (Maksutov’s criterion) among the known analogs used for making astronomical mirrors is obtained. The characteristics of a mirror made of a lightweight mirror substrate with a diameter of 205 mm are described, compared with the parameters of most known mirrors made of silicon carbide for various space missions and as proto types. It is shown that the produced substrate is characterized by a rather low specific gravity – 16.5 kg/m2, which is comparable with the indicators of the best world analogues.Описаны важные аспекты разработанной технологии изготовления карбидокремниевых подложек для оптических зеркал, предназначенных для перспективного использования в космических приложениях. Показано, что получен материал с лучшим сочетанием теплофизических и механических свойств (критерий Максутова) среди известных аналогов, применяемых при создании астрономических зеркал. Описаны характеристики изготовленной из него облегченной подложки зеркала диаметром 205 мм, проведено сравнение с параметрами большинства известных зеркал, изготовленных из карбида кремния для различных космических миссий и в качестве опытных образцов. Показано, что изготовленная подложка характеризуется низкой удельной массой – 16,5 кг/м2, что сопоставимо с показателями лучших мировых аналогов