Инженеры-нефтяники Самарского политеха изобрели уникальную установку для имитации пластовых условий

Оригинальная установка, созданная в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ, Самарский политех), поможет исследовать земные недра. Механизм в лабораторных условиях воссоздает физические параметры (например, давление и температуру) залежи, находящейся на разной глубине. С его помощью можно точно определять механические свойства горной породы: твердость, упругость, пластичность и т.д. Ее технические характеристики подробно описаны в статье, опубликованной в журнале «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море».

«На создание аппарата, который мы называем Monster machine, вдохновило изобретение академика РАН, основоположника нефтегазовой геомеханики в СССР Сергея Алексеевича Христиановича, – рассказывает руководитель проекта, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», кандидат технических наук Алексей Подъячев. – «Вживую» установку легендарного ученого мы, к сожалению, не видели, довольствовались лишь фотографиями в Интернете. Но зато мы знали основные принципы ее работы, которые легли в основу нашей.

Алексей Подъячев вместе со старшим преподавателем кафедры Павлом Букиным рассчитали жесткость корпуса машины, который смоделировали и изготовили инженеры одного завода в Санкт-Петербурге. Когда корпус доставили в Самару, политеховцы принялись за изготовление внутренней части механизма, где непосредственно происходит взаимодействие образца горной породы со штоками гидроцилиндров (металлическими стержнями, передающими усилие от поршня).

«Уникальность машины в том, что исследуемый фрагмент керна нагружается независимо с трех сторон. Для этого во внутреннем блоке мы спроектировали достаточно сложную кинематику уменьшающегося куба со 100-процентным перекрытием граней, – поясняет Алексей. – Как правило, эталонной формой исследуемого керна считается цилиндр диаметром 30 и высотой 30 (или 60) сантиметров. Однако на такой образец невозможно оказать полноценную ортогональную нагрузку по трем осям. Поэтому было решено заменить цилиндр на куб. Мы выпиливаем образец в форме куба из полноразмерного цилиндрического керна и помещаем его на специальный постамент внутри машины, где с трех сторон на него будут давить прижимные плиты. Все грани образца полностью перекрыты, то есть нет свободных участков. Это значит, что он нагружается равномерно по всей плоскости грани и не имеет участков «разгрузки».

Так, можно смоделировать, например, давление внутри скважины. Для этого образец равномерно нагружают, а затем плавно отпускают одну из сторон. Таким образом инженеры рассчитывают, при каком давлении, при каких нагрузках появляются пластические деформации горной породы и происходит ее последующее разрушение.

Благодаря сконструированному «монстру» есть возможность проводить уникальные исследования, позволяющие выяснить, в частности, влияние бурового раствора на механические свойства горной породы. Для этого образец насыщают жидкостью и устанавливают в машину. Через образец с заданным интервалом пропускают упругую волну. Все происходящие деформации отслеживаются с помощью специальных датчиков давления и деформации.

Поскольку жесткость корпуса политеховской установки позволяет создавать большие нагрузки без снижения точности результатов, то на ней можно проводить и ряд испытаний, не связанных с бурением, – например, исследовать на прочность цемент, металл и другие материалы.

Источник: Самарский государственный технический университет