Расширенный поискИлья Фокин рассказал о петрофизических и геомеханических исследованиях ИФЗ РАН в журнале «Наука и жизнь»
Сотрудники ИФЗ РАН занимаются физикой горных пород с момента основания института в 1928 году. Для этих целей в 1980-е годы был использован уникальный «Большой пресс», расположенный в Институте физики высоких давлений. Он мог развивать осевое усилие в 50 тысяч тонн и позволял испытывать образцы горных пород размером до 2 м. Это позволило создать и исследовать модель очага землетрясения. При внутренних разрушениях образца возникает акустическая эмиссия, которую можно рассматривать в качестве аналога реальных сейсмических событий. Акустическая эмиссия и естественная сейсмичность вызваны одним и тем же физическим процессом – динамическим развитием разрыва в твёрдом веществе, хотя размеры этих разрывов различаются на много порядков.
Опыты на Большом прессе позволили сопоставить результаты лабораторного эксперимента и природных закономерностей. Такой подход помог создать модели подготовки землетрясений: например, модель неустойчивого скольжения (stick-slip) и дилатантно-диффузную модель, предложенную американскими геофизиками, или модель лавинно-неустойчивого трещинообразования, предложенную группой учёных ИФЗ РАН.
Сейчас учёные изучают механику разрушения пород преимущественно с помощью управляемых быстродействующих прессов. Сотрудники лаборатории петрофизических и геомеханических исследований (205) (ранее – ЦПГИ) ИФЗ РАН исследуют кинетику трещинообразования на самой заключительной, лавинной стадии накопления дефектов, когда образец разрушается при переходе предела прочности. Такие работы проводятся с помощью испытательной установки для исследования образцов в термобарических условиях пласта. По температуре и давлению она может имитировать напряжённое состояние горной породы до глубин в десять километров и давить на образец с силой в 450 тонн.
Сервогидравлическая установка GCTS RTR-4500. Силовая рама и испытательный постамент.
Эта установка представляет собой гидравлический пресс с четырьмя усилителями – манипуляторами. Первый усилитель – гидравлический цилиндр, который напрямую воздействует на образец и давит на заданную область с усилием вплоть до 450 тонн. Второй создаёт давление около образца. К прессу учёные добавляют испытательную камеру, стабилометр, способный выдерживать внутреннее давление до 200 мегапаскалей и температуру до 200 градусов Цельсия – это аналог условий, которые существуют на глубине 10 километров. Ещё два усилителя предназначены для создания и поддержания внутреннего давления на двух торцах образца. С их помощью можно измерять проницаемость горной породы – один из важнейших параметров для разработки месторождения.
Установка измеряет четыре класса величин: давление, силу, перемещение и скорости упругих волн. Одна из сложностей, с которыми сталкиваются сотрудники лаборатории, – проблема обеспечения герметичности и экранирования электрических вводов для датчиков в область с высокими давлениями и температурами.
Илья Фокин, заведующий лабораторией петрофизических и геомеханических исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.
О практической значимости работы с установкой рассказал заведующий лабораторией Илья Фокин: «Мы определяем прочностные и упругие свойства горной породы. Имея эту информацию, нефтяная компания получает модель механических свойств месторождения, а дальше может безопасно добывать углеводороды. На выходе получаем удешевление и безопасность процесса бурения. Также мы можем посчитать, как меняются фильтрационно-ёмкостные свойства горных пород при различных пластовых давлениях, что оптимизирует процесс разработки нефтегазовых месторождений. Для строителей и шахтёров мы можем определить прочностные свойства горной породы и выявить, какой размер должен быть у шахты, какой ширины тоннель безопасно строить при разработке горной породы, какую нагрузку можно давать на фундамент строящегося дома».
В ИФЗ РАН существует научная школа по работе с этим явлением: сотрудники изучают землетрясения в лабораторных и полевых условиях. Экспедиционные группы выезжают на место, ставят временные сейсмические сети, способные охарактеризовать сейсмическую активность.
Сотрудники ИФЗ РАН переняли принцип работы с акустической эмиссией и могут «слушать», как начинает разрушаться образец. Когда начинается образование микротрещин в образце, учёные ставят датчики в нужных точках и фиксируют по сигналам, где именно хрустнула горная порода, записывают эти события непосредственно в процессе разрушения и, таким образом, представляют целую картину этих микроразрушений, которые потом перерастают в макротрещины. Система регистрации акустической эмиссии – разработка сотрудников ИФЗ РАН.
Дополнительные материалы:
Полную версию интервью читайте в материале Наталии Лесковой на портале «Наука и жизнь».
