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

Abstract

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