Theoretical background of rock failure at hydraulic seam fracture and aftereffect analysis

Purpose. Theoretical substantiation of the methodological foundations of possible effects and aftereffects identification of the hydraulic seam fracture (HSF) technology. Methods. The research structure and procedure includes: studying the power engineering aspect of the rock failure, the acoustical wave effects; thermodynamic analysis of rock failure, analysis of surfaces mechanoactivation at rock failure and aftereffect of the primary pore space self-development at the HSF due to the Rebinder’s effect. Findings. It was established that among the fundamental consistent patterns that determine the formation and development of the HSF technology aftereffects during formations mining, are the methodological provisions and criteria for failure parameters prediction and grinding effects, namely: the average and local energy density of geoenvironment destruction, efficiency of grinding, the average particle and pore size, the specific surface area, the specific energy consumption per unit of the resulting surface. The connection between the parameters of the acoustic wave and the size of the fractures, which forms the basis of the acoustic emission (AE) method, is experimentally confirmed. Originality. It is established that the database for evaluating the expected fracture effects in the working zone of the HSF is: AE activity, specific acoustic radiation, spectrum of signals, characteristic amplitudes under the condition of physical modeling on the model samples of the geoenvironment behavior. It is shown that the critical state of a substance corresponding to the beginning of failure at the microlevel should be considered from the standpoint of thermodynamics as a phase change (evaporation, sublimation) near the critical point, based on the temperature critical values and the specific energy of the phase change. The presence of surfaces mechanoactivation in the rock failure is experimentally proved. The hypothesis concerning the rock pore space development aftereffect during hydraulic seam fracture due to the Rebinder’s effect is presented. Practical implications. It is proposed to size up the degree of geoenvironment destruction in the process of the HSF by the Kd parameter, which is equal to the product of the maximum amplitude of acoustic signals on the total acoustic activity of the destruction zone. It is established that the conditions for rock failure at the HSF are determined by the relationship between the rock pressure P and the volume energy density W of the failure. It is shown that the level of surfaces mechanoactivation can be estimated by adsorption characteristics – the adsorption potential and the pH of the newly discovered surfaces.Мета. Теоретичне обґрунтування методологічних основ встановлення умов прояву можливих ефектів і пост-ефектів технології гідравлічного розриву пласта (ГРП). Методика. Структура та послідовність проведення дослідження включає вивчення енергетичного аспекту руйнування гірського масиву, дії акустичних хвиль, термодинамічний аналіз руйнування гірського масиву, аналіз механоактивації поверхонь при руйнуванні гірського масиву та пост-ефекту саморозвитку первинного пористого простору ГРП внаслідок дії ефекту Ребіндера. Застосовано метод акустичної емісії, потенціометрії та рН-метрії. Результати. Встановлено, що до числа фундаментальних закономірностей, які визначають формування і розвиток пост-ефектів технології ГРП при відпрацюванні продуктивних пластів, відносяться методичні положення й критерії для прогнозу показників руйнування та ефектів подрібнення, а саме: середньої та локальної густини енергії при руйнуванні геосередовища, ККД подрібнення, середній розмір часток і пор, питома поверхня, питомі витрати енергії на одиницю одержаної поверхні. Експериментально підтверджений зв’язок між параметрами акустичної хвилі та розміром тріщин, що складає основу методу акустичної емісії (АЕ). Наукова новизна. Встановлено, що базу інформації для оцінки очікуваних у робочій зоні ГРП ефектів руйнувань складають активність АЕ, питоме акустичне випромінювання, спектр сигналів, характерні амплітуди за умови фізичного моделювання поведінки геосередовища на модельних зразках. Визначено, що граничний стан речовини, що відповідає початку руйнування на мікрорівні, слід розглядати з позицій термодинаміки як фазовий перехід (випаровування, сублімація) поблизу критичної точки, виходячи із критичних значень температури і питомої енергії фазового переходу. Експериментально доведено наявність механоактивації поверхонь при руйнуванні гірського масиву. Висунута гіпотеза щодо пост-ефекту розвитку пористого простору гірського масиву при ГРП у контексті дії ефекту Ребіндера. Практична значимість. Запропоновано оцінювати ступінь руйнування геосередовища у процесі ГРП показником Кр, що дорівнює добутку максимальної амплітуди акустичних сигналів на сумарну акустичну активність зони руйнування. Встановлено, що умови руйнування гірського масиву при ГРП детермінуються співвідношенням між гірським тиском Р і об’ємною густиною енергії W деформації. Показано, що ступінь механоактивації поверхонь може бути оцінена за характеристиками адсорбції – потенціалом адсорбції та показником рН нововідкритих поверхонь.Цель. Теоретическое обоснование методологических основ установления условий проявления возможных эффектов и пост-эффектов технологии гидравлического разрыва пласта (ГРП). Методика. Структура и последовательность проведения исследования включает изучение энергетического аспекта разрушения горного массива, действия акустических волн, термодинамический анализ разрушения горного массива, анализ механоактивации поверхностей при разрушении горного массива и пост-эффекта саморазвития первичного пористого прострагства ГРП в результате действия эффекта Ребиндера. Применен метод акустической эмиссии, потенциометрии и рН-метрии. Результаты. Установлено, что к числу фундаментальных закономерностей, определяющих формирование и развитие пост-эффектов технологии ГРП при отработке продуктивных пластов, относятся методические положения и критерии для прогноза показателей разрушения и эффектов измельчения, а именно: средней и локальной плотности энергии при разрушении геосреды, КПД измельчения, средний размер частиц и пор, удельная поверхность, удельные затраты энергии на единицу полученной поверхности. Экспериментально подтверждена связь между параметрами акустической волны и размером трещин, что составляет основу метода акустической эмиссии (АЭ). Научная новизна. Установлено, что базу информации для оценки ожидаемых в рабочей зоне ГРП эффектов разрушений составляют актитивность АЭ, удельное акустическое излучение, спектр сигналов, характерные амплитуды при условии физического моделирования поведения геосреды на модельных образцах. Определено, что предельное состояние вещества, отвечающее началу разрушения на микроуровне, следует рассматривать с позиций термодинамики как фазовый переход (испарение, сублимация) вблизи критической точки, исходя из критических значений температуры и удельной энергии фазового перехода. Экспериментально доказано наличие механоактивации поверхностей при разрушении горного массива. Выдвинута гипотеза относительно пост-эффекта развития пористого пространства горного массива при ГРП в контексте действия эффекта Ребиндера. Практическая значимость. Предложено оценивать степень разрушения геосреды в процессе ГРП показателем Кр, который равен произведению максимальной амплитуды акустических сигналов на суммарную акустическую активность зоны разрушения. Установлено, что условия разрушения горного массива при ГРП детерминируются соотношением между горным давлением Р и объемной плотностью энергии W деформации. Показано, что степень механоактивации поверхностей может быть оценен по характеристикам адсорбции – потенциалом адсорбции и показателем рН новооткрытых поверхностей.The authors express their gratitude to Doctor of Physical and Mathematical Sciences Vilian Mykolayovych Bovenko for valuable advices when conducting research. In addition, thanks to Doctor of Engineering Sciences Anatolii Dmytrovych Aleksieiev for the opportunity to use a unique research unit of non-uniform triaxial load and research method revision. The authors thank to Candidate of Engineering Sciences Iryna Mykhailivna Yuriivska for consultations on the use of her original method of mechanoactivation study

Тепло-гідравлічний розрахунок мережі нафтових трубопроводів на основі двошарового бонд-графу

Purpose. Parallel synchronized calculation of networks with certain hydraulic and thermal properties of separate oil pipelines, which is possible with the use of a two-layer bond graph and a complex methods of potentials in nodes and methods loop currents in circuits. The authors propose to link two layers of graphs of the scheme using the equation of state of oil as a gas-liquid mixture, which will simplify and increase the speed of calculations. Findings. The principles of operation of the ball valve of the shut-off valve and its main differences from the flopper shutter are considered in detail. Also, the geometric parameters of the ball itself are demonstrated in detail. Examples of design are given, and the operating principle of the most common models of shut-off valves is described. Originality. The connection of the hydraulic and thermal layer of the bond-graph is realized by taking into account the average temperatures and the total heat transfer coefficient on the branches of the graph. Practical implications. The developed system of equations of the two-layer bond graph is applied to an estimation of work of networks of oil pipelines at designing and change of operational modes.Мета. Паралельний синхронізований розрахунок трубопровідних мереж з індивідуальними гідравлічними і тепловими властивостями окремих нафтопроводів, який можливий з використанням двошарового бонд-графа (зв'язкового графа) і комплексного поєднання методу потенціалів у вузлах з методом струмів у ланцюгах. Автори пропонують пов'язати два шари зв'язкового графа схеми за допомогою рівняння стану нафти як газорідинної суміші, що спростить і збільшить швидкість попередніх технологічних розрахунків. Висновки. Застосування зв'язування шарів бонд-графу щодо гідравлічних і теплових характеристик можливе із застосуванням ряду усереднених термобаричних параметрів. В цьому випадку гідравлічна ділянка може вважатися такою, на якій є середня температура і середній показник теплообміну, що дозволяє синхронізувати шари і привести їх до єдиної і уніфікованої нумерації гілок і вузлів. Прийом виявився програмно-працездатним і перевірений на практиці для моделювання та попередньої оцінки технологічних режимів роботи мережі нафтопроводів. Оригінальність. Зв'язок гідравлічного і теплового шарів бонд-графу реалізовано з урахуванням середніх температур і сумарного коефіцієнта теплопередачі на гілках графа. Практичне значення. Розроблена система рівнянь двошарового графа зв'язків (бонд-графа) застосовується для інженерної оцінки роботи мереж нафтопроводів при технологічному проектуванні і зміні режимів роботи ділянок мережі нафтопроводів

Energy-saving intensification of gas-condensate field production in the east of Ukraine using foaming reagents

Purpose. Development of recommendations on the use of foaming surfactants (FSs) in the overall task of increasing energy and resource conservation of wells at the final stages of the development of gas condensate fields (GCFs). Methods. To achieve the goal and solve the set tasks, following methods were used: active experiment method, regression and correlation analyzes of the obtained statistical data, comparative analysis of technological regulations for the intensification of well production. Findings. Recommendations on the use of the studied FSs for intensifying the extraction of gas-condensate fluids with the specification of the geological and field characteristics of exploited fields in Eastern Ukraine in terms of Shebelynske and Zakhidno-Khrestyshchenske GСF were developed. Originality. The dependence of the cross-correlation coefficient of the “additional gas production with the use of FSs – the number of well stimulation operations” upon the period of the influence of the FSs on the reservoir – well system, being of extreme nature, has been determined. It has been established that the effectiveness of the use of the additional part of productions debit depends linearly on the initial production rate and exponentially on the frequency of the well FS-treatment. Practical implications. It has been determined that the maximum manifestation of the impact of considered FSs on downhole fluid production is achieved after 2 months. Various techniques for the application of the FSs were tested, and the regulations for the corresponding field operations were specified. Optimization of the parameter charts and processing procedures in terms of the concentration of FSs, system connection of the foam injection pipeline to the well, the rational period of introduction of the FSs in the reservoir-well system results in the decrease of the total downtime of wells during the period of operation under conditions of intensification as well as methane pollutions during purges.Мета. Розробка рекомендацій щодо використання піноутворючих поверхнево-активних речовин (ПАР) в загальному завданні збільшення енерго- та ресурсозбереження обводнених свердловин на завершальних стадіях розробки газоконденсатних родовищ. Методика. Для досягнення мети і вирішення поставлених завдань використовувалися наступні методи досліджень: метод активного експерименту, регресійний і кореляційний аналізи отриманих статистичних даних, компаративний аналіз технологічних регламентів інтенсифікації свердловинного видобутку. Результати. Розроблено рекомендації щодо використання досліджених ПАР для інтенсифікації видобутку газоконденсатних флюїдів з уточненням геолого-промислових характеристик експлуатованих родовищ Сходу України на прикладі Шебелинського та Західно-Хрестищенського газоконденсатних родовищ. Наукова новизна. Визначено залежність коефіцієнта взаємної кореляції кривих “додатковий видобуток газу при застосуванні ПАР – кількість свердловин-операцій інтенсифікації від періоду впливу ПАР на систему “пласт – свердловина”, яка носить екстремальний характер. Встановлено, що ефективність застосування ПАР лінійно залежить від початкового дебіту та експоненціально від частоти обробки свердловини. Практична значимість. Встановлено, що максимальні прояви впливу розглянутих ПАР на свердловинний видобуток флюїдів досягається через два місяці. Випробувані різні методики застосування ПАР, уточнені регламенти відповідних промислових робіт. Оптимізація режимних карт і регламентів обробок у частині концентрації ПАР, схемного підключення інгібіторопровода піноутворення до свердловини, раціонального періоду введення ПАР в систему “пласт – свердловина” призводить до зменшення сумарного часу простоїв свердловин за період експлуатації в умовах інтенсифікації, а також викидів метану в атмосферу при продувках.Цель. Разработка рекомендаций по использованию пенообразующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) в общей задаче увеличения энерго- и ресурсосбережения обводненных скважин на завершающих стадиях разработки газоконденсатных месторождений. Методика. Для достижения цели и решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: метод активного эксперимента, регрессионный и корреляционный анализы полученных статистических данных, компаративный анализ технологических регламентов интенсификации скважинной добычи. Результаты. Разработаны рекомендации по использованию исследованных ПАВ для интенсификации добычи газоконденсатных флюидов с уточнением геолого-промысловых характеристик эксплуатируемых месторождений Востока Украины на примере Шебелинского и Западно-Хрестищенского газоконденсатных месторождений. Научная новизна. Определена зависимость коэффициента взаимной корреляции кривых “дополнительная добыча газа при применении ПАВ – количество скважинно-операций интенсификации от периода воздействия ПАВ на систему “пласт – скважина”, которая носит экстремальный характер. Установлено, что эффективность применения ПАВ линейно зависит от начального дебита и экспоненциально от частоты обработки скважины. Практическая значимость. Установлено, что максимальное проявления воздействия рассмотренных ПАВ на скважинную добычу флюидов достигается через два месяца. Опробованы различные методики применения ПАВ, уточнены регламенты соответствующих промысловых работ. Оптимизация режимных карт и регламентов обработок в части концентрации ПАВ, схемного подключения ингибиторопровода пенообразования к скважине, рационального периода введения ПАВ в систему “пласт – скважина” приводит к уменьшению суммарного времени простоев скважин за период эксплуатации в условиях интенсификации, а также выбросов метана в атмосферу при продувках.The authors express appreciation to the management of Ukrhazvydobuvannia PJSC and national producers of FSs for the materials provided and assistance in the process of the research conducting under industrial and plant conditions

Specificity of the STAT4 Genetic Association for Severe Disease Manifestations of Systemic Lupus Erythematosus

Systemic lupus erythematosus (SLE) is a genetically complex disease with heterogeneous clinical manifestations. A polymorphism in the STAT4 gene has recently been established as a risk factor for SLE, but the relationship with specific SLE subphenotypes has not been studied. We studied 137 SNPs in the STAT4 region genotyped in 4 independent SLE case series (total n = 1398) and 2560 healthy controls, along with clinical data for the cases. Using conditional testing, we confirmed the most significant STAT4 haplotype for SLE risk. We then studied a SNP marking this haplotype for association with specific SLE subphenotypes, including autoantibody production, nephritis, arthritis, mucocutaneous manifestations, and age at diagnosis. To prevent possible type-I errors from population stratification, we reanalyzed the data using a subset of subjects determined to be most homogeneous based on principal components analysis of genome-wide data. We confirmed that four SNPs in very high LD (r2 = 0.94 to 0.99) were most strongly associated with SLE, and there was no compelling evidence for additional SLE risk loci in the STAT4 region. SNP rs7574865 marking this haplotype had a minor allele frequency (MAF) = 31.1% in SLE cases compared with 22.5% in controls (OR = 1.56, p = 10−16). This SNP was more strongly associated with SLE characterized by double-stranded DNA autoantibodies (MAF = 35.1%, OR = 1.86, p<10−19), nephritis (MAF = 34.3%, OR = 1.80, p<10−11), and age at diagnosis<30 years (MAF = 33.8%, OR = 1.77, p<10−13). An association with severe nephritis was even more striking (MAF = 39.2%, OR = 2.35, p<10−4 in the homogeneous subset of subjects). In contrast, STAT4 was less strongly associated with oral ulcers, a manifestation associated with milder disease. We conclude that this common polymorphism of STAT4 contributes to the phenotypic heterogeneity of SLE, predisposing specifically to more severe disease

Processing of Retinal Signals in Normal and HCN Deficient Mice

This study investigates the role of two different HCN channel isoforms in the light response of the outer retina. Taking advantage of HCN-deficient mice models and of in vitro (patch-clamp) and in vivo (ERG) recordings of retinal activity we show that HCN1 and HCN2 channels are expressed at distinct retinal sites and serve different functions. Specifically, HCN1 operate mainly at the level of the photoreceptor inner segment from where, together with other voltage sensitive channels, they control the time course of the response to bright light. Conversely, HCN2 channels are mainly expressed on the dendrites of bipolar cells and affect the response to dim lights. Single cell recordings in HCN1−/− mice or during a pharmacological blockade of Ih show that, contrary to previous reports, Ikx alone is able to generate the fast initial transient in the rod bright flash response. Here we demonstrate that the relative contribution of Ih and Ikx to the rods' temporal tuning depends on the membrane potential. This is the first instance in which the light response of normal and HCN1- or HCN2-deficient mice is analyzed in single cells in retinal slice preparations and in integrated full field ERG responses from intact animals. This comparison reveals a high degree of correlation between single cell current clamp data and ERG measurements. A novel picture emerges showing that the temporal profile of the visual response to dim and bright luminance changes is separately determined by the coordinated gating of distinct voltage dependent conductances in photoreceptors and bipolar cells

Interpretation and Visualization of Non-Linear Data Fusion in Kernel Space: Study on Metabolomic Characterization of Progression of Multiple Sclerosis

Contains fulltext : 93904.pdf (publisher's version ) (Open Access

High-Pass Filtering of Input Signals by the Ih Current in a Non-Spiking Neuron, the Retinal Rod Bipolar Cell

Hyperpolarization–activated cyclic nucleotide–sensitive (HCN) channels mediate the If current in heart and Ih throughout the nervous system. In spiking neurons Ih participates primarily in different forms of rhythmic activity. Little is known, however, about its role in neurons operating with graded potentials as in the retina, where all four channel isoforms are expressed. Intriguing evidence for an involvement of Ih in early visual processing are the side effects reported, in dim light or darkness, by cardiac patients treated with HCN inhibitors. Moreover, electroretinographic recordings indicate that these drugs affect temporal processing in the outer retina. Here we analyzed the functional role of HCN channels in rod bipolar cells (RBCs) of the mouse. Perforated–patch recordings in the dark–adapted slice found that RBCs exhibit Ih, and that this is sensitive to the specific blocker ZD7288. RBC input impedance, explored by sinusoidal frequency–modulated current stimuli (0.1–30 Hz), displays band–pass behavior in the range of Ih activation. Theoretical modeling and pharmacological blockade demonstrate that high–pass filtering of input signals by Ih, in combination with low–pass filtering by passive properties, fully accounts for this frequency–tuning. Correcting for the depolarization introduced by shunting through the pipette–membrane seal, leads to predict that in darkness Ih is tonically active in RBCs and quickens their responses to dim light stimuli. Immunohistochemistry targeting candidate subunit isoforms HCN1–2, in combination with markers of RBCs (PKC) and rod–RBC synaptic contacts (bassoon, mGluR6, Kv1.3), suggests that RBCs express HCN2 on the tip of their dendrites. The functional properties conferred by Ih onto RBCs may contribute to shape the retina's light response and explain the visual side effects of HCN inhibitors