Аннотация

Технология геотермальной энергии успешно обеспечивает средства для выработки стабильной электроэнергии при базовой нагрузке в течение многих лет. Однако реализация была пространственно ограничена редкими высококачественными традиционными ресурсами, обладающими сочетанием мелкой аномалии сильного теплового потока и водоносного слоя с достаточной проницаемостью и пополнением флюида. Технология усовершенствованных геотермальных систем (EGS) была предложена в качестве потенциального решения, позволяющего производить дополнительную энергию из гораздо более распространенных нетрадиционных ресурсов.Для развития этой технологии был разработан нагретый истинный трехосный датчик нагрузки с системой впрыска жидкости под высоким давлением для моделирования системы EGS от стимуляции до производства. Это устройство способно загружать образец породы размером 30x30x30 см3 с независимыми основными напряжениями до 13 МПа, одновременно обеспечивая нагрев до 180 ° C. В пробу можно пробурить несколько ориентированных скважин диаметром от 5 до 10 мм в пластовых условиях. Это позволяет имитировать повреждение скважины, а также схемы инжектор-производитель.Двойные шприцевые насосы на 70 МПа, настроенные на скорости потока от 10 нл / мин до 60 мл / мин, закачиваемые в частично обсаженную скважину, позволяют полностью обрабатывать ГРП. Матрица акустической эмиссии (AE) с шестью датчиками используется для оценки геометрического местоположения трещины во время перехвата скважин. Датчики гидравлического давления и массив термопар позволяют осуществлять дополнительный мониторинг и сбор данных, которые имеют отношение к проверке модели компьютера, а также к полевым испытаниям. Результаты испытаний гидравлического разрыва пластовой модели демонстрируют функциональные возможности оборудования, а также предоставляют некоторые новые данные о распространении и характеристиках гидравлического разрыва пласта.Полностью охарактеризованные материалы для испытаний, использованные в масштабных модельных испытаниях, включают в себя цементный раствор общего назначения, высококачественный бетон на заказ, гранит и акрил. Используемые жидкости для гидроразрыва включают воду, рассол и масло Valvoline® DuraBlend® SAE 80W90.

Ключевые слова: Расширенные геотермальные системы (EGS), настоящее трехосное устройство, гидроразрыв пласта, испытания в масштабных моделях, акустическая эмиссия

1. Введение

Потенциал усовершенствованных геотермальных систем (EGS) хорошо документирован в исследовании под руководством MIT под названием «Будущее геотермальной энергии» [1].С помощью этой технологии нетрадиционные глубокие резервуары с горячей сухой породой (HDR) спроектированы с использованием методов бурения и стимулирования для создания системы добычи тепла для производства энергии при базовой нагрузке. Методы, необходимые для обеспечения производства энергии EGS, также способны улучшить производство за счет традиционных геотермальных ресурсов, которые уже используются сегодня.

Для обеспечения стимуляции резервуара EGS одним из наиболее перспективных методов является гидроразрыв пласта. Этот метод использует закачку жидкости под высоким давлением в заданные интервалы пласта для повышения проницаемости и создания новых путей потока за счет усиления существующих трещин и создания новых трещин.С установкой схемы скважин-нагнетателей можно преодолеть физические ограничения пополнения естественного резервуара и сохраняемых добываемых жидкостей, и конечный результат может стать продуктивным резервуаром. Гидроразрыв пласта доказал свою эффективность в качестве метода стимуляции в нефтяной и газовой промышленности с момента его первого внедрения в 1947 году [2].

В настоящее время, только небольшое количество полевых испытаний EGS было выполнено из-за высокого экономического риска процедуры и значительной вероятности отказа.Таким образом, проведение контролируемых экспериментов EGS в лабораторных условиях может дать некоторые важные данные и опыт, необходимые для расширенной калибровки модели трещины и полномасштабных испытаний в полевых условиях. Это особенно верно, учитывая, что большинство методов проектирования ГРП, разработанных нефтяной промышленностью, в большей степени зависят от исторических данных, чем от теоретического анализа [3]. В случае разработки EGS эти исторические данные еще не существуют в достаточном количестве.

Чтобы заполнить пробел в знаниях, в Колорадской горной школе проводится тестирование резервуара EGS в лабораторном масштабе с использованием нагреваемого истинно-трехосного аппарата. Некоторые завершенные результаты испытаний и наблюдения представлены вместе с технической информацией об используемом оборудовании и процедурах. Основное внимание уделяется серии испытаний, выполненных на гидравлически разрушенном образце гранита с установленной схемой скважины с бинарной форсункой.

2. Конструкция и технические характеристики оборудования

Лабораторное оборудование для моделирования EGS состоит из четырех основных подсистем: нагреваемой истинно-трехосной ячейки, системы гидравлического впрыска под высоким давлением, многокомпонентной системы сбора данных, а также материалов для образцов и оборудования для определения характеристик. ,

2.1. Подогреваемая истинная трехосная ячейка

Схема нагретой истинной трехосной ячейки показана на рисунке 1. Она состоит из цилиндрической загрузочной установки, изготовленной из высокопрочной стали. Флатджексы оказывают давление на все шесть граней образца блочной породы размером 30x30x30 см ³ . Плоскоструйные фрезы Freyssinet 350 мм, которые находятся под давлением с помощью насосов, позволяют независимо контролировать основные напряжения до 12,5 МПа. Давления от плоского зажима можно регулировать для достижения условий трехосного напряжения с различными величинами напряжения вскрыши σ _против , максимального горизонтального напряжения σ _H и минимального горизонтального напряжения σ _ч .Внешне установленные гибкие нагреватели из силиконовой резины с пропорционально-интегрально-производным (PID) управлением позволяют осуществлять двухзонный нагрев с раздельными уставками для боковых и вертикальных нагревательных элементов. Система отопления позволяет моделировать резервуар EGS с температурой до 180 ° C.

На Рисунке 2 показаны фотографии законченной истинной трехосной ячейки с буровой установкой и без нее, размещенной сверху ячейки. Ориентированный роторно-ударный сверлильный станок используется для бурения скважин в образце в выбранных пользователем положениях и углах, когда образец находится под нагрузкой и температурой.Эта процедура учитывает стратегические скважинные установки, которые являются специфическими для испытания и конкретной стимулированной плоскости разрыва. Повреждение скважины повторяется при использовании ударного бурения в загруженном образце вместо более распространенных забуренных забуренных методов на месте [4-7]. Скважина обычно пробурена с одним верхним обсаженным сегментом, имеющим максимальный наружный диаметр 10 мм, и вторым необсаженным интервалом разрыва пласта, имеющим типичный диаметр 5,6 мм. Эти размеры были выбраны настолько малыми, насколько это возможно, чтобы обеспечить наиболее эффективное моделирование резервуара EGS в пределах 30х30х30 см ³ кубических пробных блоков.

Рисунок 1.

Расположение истинно-трехосной ячейки.

Рисунок 2.

Изображения истинной трехосной ячейки. Слева: без буровой установки, справа: с крышкой и буровой установкой.

2.2. Система гидравлического впрыска высокого давления

Программируемая система гидравлического впрыска используется как для стимуляции гидравлического разрыва, так и для анализа потока после разрыва. Точный поток высокого давления обеспечивается двойной шприцевой насосной системой Teledyne Isco 65DM, рядом пневматических гидравлических клапанов и специальной программой управления насосом, разработанной с LabVIEW.Эта система способна обеспечить давление до 70 МПа и точные контролируемые скорости потока от 10 нл / мин до 60 мл / мин со стабильностью потока ± 0,3% от заданного значения. Схема гидравлической системы представлена ​​на рисунке 3.

Рисунок 3.

Схема для системы гидравлического разрыва

Некоторые из программируемых возможностей системы включают в себя: (1) пошаговый непрерывный постоянный поток или давление, (2) Контролируемое переключение между впрыском чистой и жидкой суспензии и (3) условно зависимая работа с возможностью обращения к внешним данным в реальном времени.Для герметизации нагнетательной трубки в стволе скважины трубку SS 316 с резьбой вливали в скважину с наружным диаметром 10 мм, используя эпоксидную смолу Loctite ^® Rapid Mix 5-Minute. Эпоксидный раствор был доставлен в скважину с использованием смягченных водой желатиновых капсул размера 00, чтобы избежать возможности соединения оболочки с верхней крышкой истинно-трехосной ячейки. После достижения 24-часового отверждения через дно обсадной колонны и в пробу пробурили необсаженный интервал диаметром 5,6 мм. На фиг.4 показана схема способа герметизации скважины.

Рисунок 4.

Метод уплотнения скважины с типичными размерами.

2.3. Многокомпонентная система сбора данных

Для мониторинга и управления процессами оборудования и системы использовалась многоканальная многофункциональная система National Instruments CompactDAQ с 16 тензодатчиками, 16 каналами термопары CJC, 8 каналами напряжения, 8 каналами тока и 4 многофункциональные каналы. Прилагаемые датчики включали 2 датчика давления Omega® PX309-10KG5V для контроля давления в устье нагнетания и промежуточного ограничивающего напряжения образца, 1 датчик давления Omega® PX309-3KG5V для контроля минимального основного напряжения, 1 датчик давления Omega® PX40-50mmHG для контроля уровень заполнения производственного резервуара и скорость потока, 1 датчик линейного перемещения Omega® LD621-30 для вспомогательного использования и 1 Humboldt HM2310.04 Линейный тензодатчик также для вспомогательного использования. Изготовленные на заводе термопары Omega® Type-T были расположены в положениях контроля гидравлической температуры, как показано на рисунке 3, внутри нижней части нагнетательных и эксплуатационных скважин и в сетчатом расположении с высоким покрытием на поверхностях поверхностей образец внутри ячейки, как показано на рисунке 5. При использовании тензодатчики были встроены в поверхности образца для контроля однородности напряжения. Дополнительные данные были получены от контроллера насоса Teledyne Isco, в котором содержится информация о работе гидравлической системы, в том числе о расходах, давлениях, положениях клапанов и общем состоянии насоса.

Рисунок 5.

Диаграмма положения датчика поверхности на типичном образце 30x30x30 см3.

Для мониторинга процесса гидроразрыва и обеспечения оценки местоположения для сгенерированных гидроразрывов в режиме реального времени внутри ячейки была установлена ​​система мониторинга пьезоэлектрической акустической эмиссии (AE) с 6 датчиками, полученная от Physical Acoustics Corporation, с датчиками, контактирующими с гранями образец в расположении для достижения максимального объемного покрытия, как показано на рисунке 5.На рис. 6 показан датчик АЭ, установленный в загрузочную плиту толщиной 25 мм, где он был защищен от высоких нагрузочных нагрузок, приложенных к образцу. Тонкие упаковочные пенопластовые пластины были вставлены между корпусом датчика и стальным корпусом, чтобы ослабить воздействие внешних акустических шумов и обеспечить мягкую реакцию пружины на любое движение, которое может произойти во время процессов загрузки и разгрузки. В общем, этот валик служит подвижным интерфейсом между герметичным плоским домкратом и образцом внутри ячейки.Во время анализа записанные события АЭ могут быть легко отфильтрованы по коэффициенту корреляции, амплитуде или другим критериям с использованием цифровой постобработки времени попадания и данных формы волны.

Рис. 6.

, установленный на загрузочной плите.

2.4. Испытательные материалы

Для этого проекта использовались четыре типа материалов, в том числе бетонный раствор средней прочности, сверхпрочный бетон с низкой проницаемостью, местно полученный гранит Colorado Rose Red и акриловое стекло.Каждый из этих материалов был проверен на различные механические, термические и акустические свойства, чтобы служить эталоном для будущего сравнения полевых данных. Общее описание измеренных свойств для выбранных материалов представлено в Таблице 1. Испытание на прочность при одноосном сжатии (UCS), модуле упругости ( E ), коэффициенте Пуассона ( v ) и непрямой прочности на растяжение (BTS) выполняется с использованием специально оборудованной бетонной несущей рамы ELE Accu-Tek ^TM 250.Измерения теплопроводности ( k _T ) проводились с использованием прибора с разделенными стержнями, доступного в Colorado Geological Survey [8]. Объемная удельная теплоемкость ( C _V ) была получена с использованием изолированного калориметра. Акустические скорости сжатия ( В _P ) и скорости сдвига ( В _S ) были получены с использованием пьезоэлектрического импульсного передатчика-приемника с контролем осциллографа.Пористость (ϕ) и плотность матрицы (ρ _{, сухой} ) измеряли с использованием 70% вакуумного эксикатора, печи при 110ºC и цифрового баланса массы.

Для анализа после испытания использовались алмазные сердечники и поперечные срезы. Верхние керны были взяты для снятия обсадной колонны скважины и наблюдения за геометрией разлома вблизи ствола скважины. Затем поперечные разрезы были разрезаны с помощью алмазной настольной пилы диаметром 0,9 м. Пример поперечного сечения, взятого из гидравлического разрыва пласта из неограниченного образца гранита, показан на рисунке 7.Поперечные сечения, подобные этим, позволили провести физические измерения мест трещиноватости, глубины проникновения флюида и проверки оценок места трещин АЭ. Пути прохождения жидкости и глубины проникновения были наиболее заметны при испытаниях с использованием нефти в качестве жидкости для гидроразрыва из-за окрашивания материала образца. Компиляция данных геометрии трещины из последовательных поперечных сечений позволяет получить трехмерную визуализацию целых сетей стимулированного разрушения. Как видно на рисунке 7, эти сети, как ожидается, будут очень сложными из-за неоднородностей в образцах природного камня и бетона.

Таблица 1.

Свойства испытуемого материала (* данные из [9-10]).

Рисунок 7.

Поперечное сечение неограниченного испытания гидроразрыва гранита.

3. Результаты испытаний и наблюдения

На этом оборудовании проводится непрерывная серия испытаний на стимуляцию ГРП и определение характеристик пласта для получения новых данных для развития технологии EGS. В то время как эксперименты по гидроразрыву были проведены в более чем 11 различных скважинах и четырех различных материалах, основное внимание будет уделено испытанию на гидроразрыв гранита, где была пробурена ориентированная перехватывающая скважина для создания добываемого нагретого резервуара EGS.Результаты эксперимента по моделированию EGS можно разделить на несколько ключевых этапов, включая подготовку образца, первичный гидроразрыв пласта, бурение скважины, пересекающей разрыв, и повторное открытие трещины и ее протекание.

3.1. Подготовка образца

Для этого теста блок из красного гранита Колорадо Роуз, как показано на рисунке 8, был загружен в истинно-трехосную ячейку и медленно нагревался до средней внутренней температуры 50 ºC в течение четырех дней. После того как заданная температура была достигнута, образец находился под давлением с ограничивающими напряжениями 12.5, 8,3 и 4,1 МПа для вертикальных, максимальных горизонтальных и минимальных горизонтальных напряжений соответственно. Система контроля АЭ была активна в течение всего процесса загрузки, чтобы определить, произошли ли какие-либо события механического сдвига или термического разрыва. В этом случае данные АЭ приводили к большому разбросу событий без существенной кластеризации, что указывало на то, что была достигнута приемлемо равномерная нагрузка и никаких значительных событий разрыва не произошло. Равномерность загрузки образца была также проверена с использованием данных тензодатчика с макетом, как показано на рисунке 5.В совокупности оба эти метода согласились с тем, что верхний угол образца подвергался воздействию некоторых повышенных концентраций напряжений, на что указывают относительно высокие напряжения и увеличение локальной активности АЭ в определенном углу. Это наблюдение использовалось для изменения и улучшения процедуры нагружения таким образом, чтобы подобные непреднамеренные концентрации стресса были менее вероятны в ходе будущих испытаний с использованием этого оборудования.

Во время загрузки в образец было пробурено центрированное вертикальное отверстие, установлен интервал обсадной колонны глубиной 107 мм и пробуренный интервал 73 мм для конечной глубины закачки скважины 180 мм.Важно отметить, что бурение скважины, когда образец находится под нагрузкой, является уникальной возможностью системы, которая позволяет лабораторно моделировать зону повреждения скважины. Этот процесс создает небольшие трещины вблизи ствола скважины, что было четко отмечено в акриловых испытаниях [11-12], которые могут служить в качестве мест возникновения трещин. Одновременно процесс бурения также заполняет эти микротрещины мелкими фракциями, которые, как считается, оказывают некоторое влияние на самопроизвольную трещину, а также на извилистость вблизи ствола скважины и фактор скин-фактора.Может потребоваться дополнительное исследование, чтобы лучше понять, как зона повреждения ствола скважины влияет на начало, рост и закрытие гидроразрыва.

Рисунок 8.

Предварительное изображение образца гранита, использованного для экспериментов по моделированию коллектора EGS.

3.2. Первичный гидроразрыв

Первичный разрыв гидроразрыва был достигнут при использовании закачки масла с постоянной скоростью потока 0,05 мл / мин. Трансмиссионное масло Valvoline ^® Durablend ^® SAE 80W90 использовалось в качестве жидкости для гидроразрыва благодаря ее высокой вязкости и общедоступным свойствам жидкости.При температуре впрыска 50 ºC эта жидкость имеет приблизительную динамическую вязкость 71,5 сП, оцененную с использованием опубликованной информации о продукте в сочетании с уравнением Вальтера, указанным в ASTM D341 [13]. Важность использования высоковязкой жидкости в лабораторных экспериментах по гидроразрыву хорошо документирована [5-6]. В этом случае использование жидкости с высокой вязкостью обеспечило важные преимущества лучшего контроля роста трещин для повышения вероятности локализации и более предсказуемой ориентации трещин, поскольку на распространение будет меньше влиять естественная неоднородность в образце гранита.

График гидравлических данных для первичного пробоя показан на рисунке 9. Во время этого теста насос был остановлен через 16 секунд после пробоя в попытке сохранить трещину полностью локализованной, так как наблюдалось, что события АЭ в реальном времени приближались к края образца. Продолжение активности АЭ наблюдалось даже после остановки накачки, что указывало на продолжение распространения трещин. Поэтому, чтобы принудительно остановить рост трещины, скорость потока изменяли на -10 мл / мин в течение в общей сложности 6 секунд, чтобы вытянуть жидкость из трещины, а затем после этого удерживать в остановленном положении.В это время наблюдался значительный отскок давления, который может дать некоторое представление о поведении при динамическом хранении жидкости при гидроразрыве с дополнительным исследованием. В конечном счете, наблюдение пренебрежимо малой скорости потока во время испытания под постоянным давлением после разрушения при 2000 кПа подтвердило, что образовался полностью сдержанный разрыв.

Рисунок 9.

График гидравлических данных для первичного разрушения. .Кроме того, трещина имела одно доминирующее крыло, о чем свидетельствует то, что облако АЭ было наиболее заметным только на одной стороне скважины. На рисунке 10 показаны ортогональные графики результатов определения местоположения источника события трехмерного АЭ для теста. В этом анализе использовалась регрессия местоположения с шестью датчиками и были отфильтрованы результаты, содержащие только события с коэффициентом корреляции более 0,75 и амплитудой более 25 дБ. На этом графике диаметры окружностей прямо пропорциональны амплитуде соответствующего события.Кроме того, цветовая заливка соответствует коэффициенту корреляции каждого события с темно-красными кругами, имеющими более высокую корреляцию. Двухсегментная центрированная вертикальная скважина для инъекций хорошо видна на графиках спереди и сбоку.

Рис. 10.

AE при первичном гидроразрыве.

Расширяя анализ АЭ с применением методов тензора момента [14], была получена информация о режиме разрыва для некоторых из зарегистрированных событий АЭ.Как показано в таблице 2, только около 11% от общего числа зарегистрированных событий могут быть успешно классифицированы с разумным уровнем достоверности. На первый взгляд, режим разрушения при растяжении, по-видимому, является доминирующим на этой стадии разрушения, но неопределенность, связанная с низким процентом классифицируемых событий, эффективно снижает достоверность любых выводов, которые могут быть получены из этих цифр.

Таблица 2.

Классификации АЭ События при гидроразрыве пласта.

3.3. Бурение эксплуатационной скважины для перехвата трещины

Используя данные местоположения источника АЭ, была получена оценка геометрии трещины и выбрано оптимальное положение перехвата в скважине, как показано на рисунке 11.Здесь можно увидеть траекторию перехвата скважины, пробуренную под углом 30º от вертикальной оси, проникающую сквозь ожидаемую поверхность трещины. Ориентация бурения под большим углом была использована для максимизации вероятности успешного перехвата после учета неопределенности местоположения источника АЕ и допусков системы бурения. Кроме того, необсаженная скважина с перехватом диаметром 10 мм была пробурена глубже, чем ожидаемое место перехвата, чтобы еще больше увеличить вероятность успешного гидравлического соединения.На рисунке лучшая оценка плоскости разрушения была построена с использованием сглаженной кубической интерполяционной функции поверхности, приспособленной к событиям как с высокой амплитудой, так и с высокой корреляцией. После того, как бурение было завершено, скважина была промыта и обнаружены положительные признаки трещиноватости нефти, что указывает на успешное перехватывание.

Рис. 11.

А.Е. Произведенная поверхность разрушения начального гидроразрыва.

3.4. Раскрытие трещиноватости и циркуляционный поток

С завершением моделируемого резервуара EGS были проведены эксперименты по потоку для характеристики гидравлических свойств коллектора.Эти эксперименты включали инжекцию в стационарном состоянии с постоянным давлением, инжекцию с постоянной скоростью потока для повторного открытия трещины, ступенчатую инжекцию с постоянным давлением и инъекцию с постоянной скоростью потока без повторного открытия. Результаты, полученные в результате этих испытаний, в конечном итоге подтвердили наличие гидравлического контура внутри образца, соединяющего нагнетательную скважину с эксплуатационной скважиной через вынужденный гидравлический разрыв.

Первоначально постоянный впрыск масла SAE 80W90 в стационарном состоянии при низком давлении выполнялся с использованием заданного давления 2000, 3000 или 4000 кПа.Давления намеренно поддерживали ниже минимального основного напряжения, чтобы избежать потенциального продолжения распространения трещины, которое может произойти при повторном открытии трещины. Результаты этих испытаний показали, что достижимые стабильные скорости потока с геометрией первичного гидравлического разрыва были незначительными и, следовательно, пласт оставался непродуктивным. Несмотря на то, что эта информация подтвердила, что геометрия стимулированного разрушения была полностью сохранена, как хотелось бы, она также указала, что связь между нагнетательной и эксплуатационной скважинами была слишком плотной, чтобы пропустить какое-либо значительное количество жидкости.Ожидается, что значительно более высокая гидравлическая проводимость после разрыва будет иметь место, если проппант использовался на стадии первичного разрыва.

Для улучшения гидравлического соединения бинарной скважинной системы было выполнено два этапа повторного открытия трещины с поэтапными испытаниями на инжекцию при постоянном давлении, выполненными между ними в целях диагностики. В этих испытаниях на впрыск продолжалось использование масла в качестве впрыскиваемой жидкости, поскольку его высокая вязкость была благоприятной для образования контролируемых трещин.На рисунках 12 и 13 показаны графики гидравлических данных, полученных на первом и втором этапах открытия трещины соответственно. Оба этих графика ясно показывают классическое поведение при повторном открытии гидравлического разрыва [15] с почти линейным повышением давления, за которым следует быстрое событие пробоя и псевдо-устойчивое распространение разрушения при повышенном давлении. Сравнение пиковых давлений аналогичной величины в 18,1, 15,4 и 17,4 кПа, наблюдаемых для событий первичного разрушения, первого повторного открытия и второго повторного открытия соответственно, позволяет предположить, что вязкость разрушения не была доминирующим фактором в распространении разрушения, поэтому критерий масштабирования, предложенный в литературе ( е.грамм. [5]), вероятно, будут удовлетворены даже с неповрежденным гранитом в качестве материала для испытаний.

Рисунок 12.

Первое открытие трещины.

Ориентированное представление данных о местоположении источника АЭ, наблюдаемых для первой стадии повторного открытия, показано на рисунке 14. При сравнении этой фигуры с результатами, показанными на фигуре 10, и данными второй стадии повторного открытия, очевидно, что большая часть рост трещины произошел во время первой стадии повторного открытия вдоль дна и двух горизонтальных оконечностей начальной плоскости разрушения.Кроме того, непосредственная близость событий АЭ к границам образца позволяет предположить, что стимулированный перелом, возможно, больше не содержался полностью и может привести к снижению эффективности извлечения жидкости во время добычи. Распространение трещины до границы образца, хотя и не идеальное, напоминало распространение гидроразрыва в зону разлома или естественную сеть гидроразрыва. В этом случае относительная проницаемость между границей образца и пластинами ячейки, как ожидается, будет намного выше, чем через гидравлический разрыв в образце, так же как поврежденная зона, вероятно, будет иметь более высокую проницаемость, чем искусственно вызванный разрыв.Эта ситуация, хотя и не идеальная, может более близко походить на системы EGS с полем с большой потерей жидкости, такие как системы, встречающиеся в Хиджиори, Япония, где обработки проводились в прерывистой и естественно разрушенной вулканической зоне [16]. Для окончательной геометрии разрушения в образце гранита, оцененной с помощью данных местоположения источника АЭ, меньшее крыло первоначального разрушения, по-видимому, расширилось, чтобы приблизительно соответствовать доминирующей длине крыла, создавая, таким образом, плоское разрушение двустворчатого крыла.

Рисунок 13.

Первое открытие перелома.

Рис. 14.

Трехмерное представление местоположений источников событий АЭ на первом этапе повторного открытия трещины.

Сравнивая данные частоты счета АЭ с данными давления, как показано на рисунке 15, было обнаружено, что значительное увеличение активности АЭ происходит сразу после частей гидравлических данных, где вторая производная давления впрыска со временем была отрицательной. Таким образом, из наблюдения в реальном времени скорости изменения наклона в данных о давлении, можно предвидеть серьезное событие роста трещины до того, как оно произойдет.Кроме того, использование такой методики позволяет лучше понять поведение роста трещины в гетерогенных системах во время между началом трещины и закрытием. В течение этого времени анализ второго порядка можно было бы использовать для выявления отдельных событий разрушения, происходящих после первоначального разрушения, что можно было бы ожидать в случае систем разрушения с несколькими крыльями или открытия пересекающихся трещин, соединений или зон разломов. В этом лабораторном случае анализ был выполнен с использованием 11-секундного подхода обратной линейной регрессии для получения оценки первой производной давления, которая может использоваться в приложениях в реальном времени.Значение 11 секунд было выбрано с использованием качественного метода проб и ошибок с целью получения визуально сглаженного набора данных, не жертвуя при этом слишком большой точностью данных.

Рис. 15.

Первая производная давления с гистограммой счета попаданий AE для первой стадии повторного открытия трещины.

Для оценки эффективности каждой стадии повторного вскрытия трещин были проведены ступенчатые испытания нагнетания масла при постоянном давлении. В этих испытаниях масло SAE 80W90 впрыскивалось в образец с ПИД-контролируемым давлением с шагом 1000 кПа с продолжительностью 30 минут.Пример гидравлических данных из пошагового испытания под давлением, выполненного после второго повторного открытия, представлен на рисунке 16. Для каждого постоянного приращения давления результирующие измерения давления и расхода в устойчивом состоянии усредняются для оценки зависимых от давления характеристик потока стимулируемого резервуар. Эти значения были полезными контрольными точками во время последующих контролируемых испытаний с постоянным потоком, когда повторное открытие трещины и давления растяжения не были желательны.

Сравнение данных теста ступенчатого постоянного давления, полученных до и после второго повторного открытия, показано на рисунке 17.На этом графике было очевидно, что после первой стадии открытия трещины была незначительная зависимость расхода от давления. Это говорит о том, что поток закачиваемой жидкости не определялся стимулированным потоком трещины, а гидравлическое соединение между нагнетательной и эксплуатационной скважинами не было эффективным, если оно вообще было. Для улучшения межскважинного соединения была успешно проведена вторая стадия повторного открытия трещины. Как видно на рисунке 17, зависимые от давления характеристики расхода были гораздо более заметными после этой второй стадии с четкими пропорциональными отношениями.Чтобы дополнить эти наблюдения, периодически проводился промывка скважины для проверки добычи жидкости в перехватывающей скважине. Результаты мазка положительно не указывают на гидравлическое соединение до окончания второй стадии повторного открытия трещины. Таким образом, даже при том, что первая обработка не достигла приемлемого гидравлического соединения, выполнение дополнительных обработок для стимуляции разрушения из той же самой нагнетательной скважины было успешным в создании эффективного гидравлического соединения

Рис. 16.

Данные ступенчатого опрессовки, полученные после второй стадии повторного открытия трещины.

Рисунок 17.

Усредненные данные по ступенчатому постоянному давлению впрыска масла до и после второй стадии повторного открытия трещины.

При подтвержденном гидравлическом соединении между скважинами нагнетаемая жидкость была заменена на водопроводную воду для тестирования теплового потока и определения характеристик резервуара EGS. Закачка воды осуществлялась с помощью двух контролируемых испытаний с постоянным расходом для достижения зависимых от давления характеристик потока для пласта.В первом тесте использовалась скорость потока 0,05 мл / мин, а во втором — более высокая скорость 0,10 мл / мин. Хотя эти тесты предоставляют данные, аналогичные вводу при постоянном давлении, их легче сравнивать с полевыми приложениями, где управление расходом является стандартом. Результаты периодической очистки скважины указывали на значительную и непрерывную добычу жидкости в перехватывающей скважине. На рисунке 18 представлен пример данных о расходе, полученных во время второго испытания потока воды. Здесь очевидно, что снижение вязкости при переходе от масла к воде привело к значительному снижению потерь давления, как и ожидалось.Кроме того, эти скорости потока не вызывали какой-либо значимой активности АЭ, свидетельствующей о том, что геометрия стимулированного разрушения была стабильной с потоком воды. Дополнительные испытания требуются и планируются для того, чтобы получить полную характеристику смоделированного в лаборатории резервуара EGS.

Рисунок 18.

Второй график данных испытаний потока воды.

Загрязнение гидравлической системы: причины и решения

Если игнорировать эти распространенные причины загрязнения гидравлической системы, это может привести к катастрофическому отказу машины. Бдительность — это ключ к поддержанию чистоты машины в .

Карл Дайк. CD Industrial Group Inc.

Я представляю несколько вещей, когда думаю о неисправности мобильной гидравлической системы:

• повреждена контрольная проводка и разъемы
• забитая золотник застрял на месте
• тарельчатый клапан удерживается от полного закрытия.

Забивание этой катушки из-за частиц ржавчины (загрязнение воды) привело к заклиниванию этого клапана.

Почему я представляю эти вещи? Сложные неисправности, которые вызвали телефонный звонок клиента, чтобы обеспечить обучение обслуживанию гидравлики, часто включают эти проблемы. Поврежденную проводку легче всего отследить и быстро решить. Вредные загрязняющие частицы часто меньше, чем можно увидеть невооруженным глазом.

Гидравлические системы управления движением, а также гидравлические системы управления силой (например,тормозные системы) — никогда не предназначалось для циркуляции жидкого навоза. Когда нерастворимые частицы смешиваются с гидравлической жидкостью, получается суспензия. Твердые вещества в жидкости — это рецепт неприятностей. Частицы, взбиваемые в высокоскоростных потоках, могут попасть в зазоры, что приведет к слипанию клапанов. Гидравлическая жидкость должна быть чистой.

Когда я был маленьким мальчиком, выросшим на лесозаготовительной и лесозаготовительной технике в 1970-х годах, нередко было сливать гидравлическое масло в ведро во время ремонта шланга, а затем заливать его обратно в бак после завершения работы.Эти машины были грубыми и неэффективными с простыми шестеренными насосами и прямыми золотниковыми клапанами. Я не говорю, что производительность гидравлической системы не ухудшалась, так как песок и опилки проходили через систему несколько раз, но не было периодических или катастрофических сбоев. Это был не очень хороший процесс ремонта или обслуживания, но затраты не оказали большого влияния на бизнес в то время.

Как только гидравлическая жидкость сильно загрязнена, отказы компонентов происходят чаще.

Современные гидравлические системы оснащены крошечными управляющими контурами с клапанами давления с электронным управлением. Эти редукционные клапаны создают точное гидравлическое усилие, необходимое для перемещения пропорционального золотника клапана в желаемое отверстие потока. Пилотные клапаны, которые создают это точное давление, в некоторых случаях перемещаются менее чем на 1 мм (приблизительно 3–64 дюйма). Внутренние части имеют небольшие допуски и являются небольшими — часто они соответствуют масштабу деталей, найденных в шариковой ручке или наручных часах.Силы, создаваемые этими соленоидами переменного тока, невелики. Это также клапаны, используемые в качестве первого слоя гидравлического управления в очень крупных строительных экскаваторах и карьерных экскаваторах или для рулевого управления на грейдере. Частица правильного размера и формы может заклинить пилотный клапан и сделать всю машину неработоспособной в течение длительного периода времени. Кроме того, клапаны, используемые для функций безопасности, могут выходить из строя, когда присутствуют частицы. Частицы от ржавчины, окружающей пыли, а также осколков изнашиваемых металлов необходимо удалить из жидкости, если ожидается, что система будет работать надежно.

Как загрязнение попадает в систему?
Общие пути проникновения загрязнения включают в себя следующее:

• При заполнении новой жидкостью
• Быстроразъемные соединения
• Через сапун
• Цилиндр штока царапин
• Плохие уплотнения в верхней части бака
• Открытые порты во время ремонта
• Изношенные уплотнения
• Новая гидравлическая жидкость

Небрежное хранение бочек может привести к загрязнению у источника.

Как эти загрязнения попадают внутрь? Есть множество путей проникновения. Некоторые из этих частиц даже производятся внутри гидравлической системы. Вода является обычным жидким загрязнителем, который помогает в создании чрезвычайно твердых частиц оксида железа в местах образования ржавого пятна внутри клапана.

Иногда кувшин / барабан / сумка с новой жидкостью уже загрязнены. Это либо потому, что сама разливочная или разливочная установка была загрязнена, либо контейнер, в котором она хранилась, был загрязнен, либо потому, что контейнер был загрязнен множеством небрежных отверстий и укупорок.

Неосторожная процедура заполнения без надлежащей фильтрации и очистки приведет к попаданию загрязнений в систему вместе с новым маслом. Старая практика использования открытого ведра и воронки для заполнения гидравлического резервуара должна оставаться в прошлом, если целью является надежная работа. Существуют гораздо более эффективные способы заполнения, в которых используется насос для перекачки фильтра, чтобы вытягивать жидкость из бочки или емкости и закачивать ее непосредственно в резервуар через соединитель на боковой поверхности резервуара.

Эти маленькие, крошечные компоненты являются неотъемлемой частью работы этой массивной лопаты.

Крышки сапуна / наполнителя более старого типа имеют очень пористую сетку (обычно 40 микрон и больше). Они не справляются с задачей предотвращения загрязнения. Если кто-то ускорил процесс наполнения путем сброса свежей жидкости через сапун, это станет отличной точкой входа для загрязнения.

Быстроразъемные соединения используются на машинах в качестве контрольных точек, дополнительных приспособлений и точек наполнения резервуаров. Если они не являются абсолютно безупречными до установления соединения, загрязняющие вещества непосредственно попадают в систему.
По моему опыту, пять наиболее распространенных типов твердых частиц, обнаруженных в жидкости гидравлической системы:

• Металлы
• Кремнезем
• Эластомеры
• Волокна
• Ржавчина

Частицы металла являются обычными
Частицы металла попадают в гидравлическую систему, когда армированный шланг обрезается по длине абразивным кругом непосредственно перед присоединением обжимных фитингов. Практика, которая становится все более популярной и которая должна рассматриваться как стандартная, заключается в том, что все шланговые узлы перед установкой необходимо очищать с помощью пневматического чистящего снаряда.

Многие частицы, такие как 30-микронная, показанная зеленая минеральная частица, не видны без микроскопа.

Подачи из сверления, нарезания резьбы и изготовления металлического гидравлического бака являются общими. Металлические фрагменты также создаются, когда движущиеся части вступают в непосредственный контакт друг с другом. Это часто встречается в насосах и клапанах, когда вязкость гидравлического масла слишком мала. Давление в выходном отверстии зубчатого насоса часто приводит к закаливанию зубчатых колес к входной стороне корпуса, что приводит к истиранию и образованию алюминиевой или стальной стружки.Некоторые мобильные подъемные машины с цилиндрами с длинным ходом, чьи циклы превышают ожидаемый срок службы, могут производить металлические осколки и опилки, когда поршень протирает внутреннюю поверхность цилиндра. Это верно, когда внутренняя запорная труба имеет недостаточную длину.

В кавитации разбросаны металлические осколки, вырванные из этой направляющей пластины по всей гидравлической системе.

Насос, который страдает от кавитации, также будет генерировать металлические частицы. Чрезмерное ограничение потока на входной стороне насоса создает паровые полости, которые взрываются вблизи выхода высокого давления.Во время взрыва результирующая ударная волна повреждает металлические поверхности и вырывает мелкие частицы. Более мягкие металлы внутри насоса, такие как бронза или алюминий, наиболее подвержены этому эрозионному повреждению. Твердые материалы, такие как сталь, также могут страдать от этого эрозионного повреждения, как это происходит, когда разгонный цилиндр под отрицательной нагрузкой создает зону крайне низкого давления на выходе частично открытого, проходного или направленного клапана. Некоторые исследователи обнаружили, что присутствие твердых частиц в гидравлическом масле облегчает образование кавитационных пузырьков.

Металлические частицы, которые остаются во взвешенном состоянии, могут вызвать дополнительную эрозию, поскольку они ударяются о выемки дозатора золотника клапана и края порта клапана во время высокоскоростного потока, который возникает при первом открытии клапана или непосредственно перед его закрытием.

Изучив только повреждение металлических частиц и возможные побочные эффекты, можно понять, насколько важно поддерживать чистоту гидравлической жидкости и предотвращать кавитацию.

Предотвратить заглушки из мягких волокон

Повреждение уплотнения из-за кавитации может означать внутреннюю утечку, а также периодические неисправности.

Волокна из дерева, картона, бумаги, магазинных полотенец и ветоши обычно встречаются в жидкостях гидравлической системы. Частицы загрязняющих частиц эластомера поступают из шлангов, уплотнительных колец и уплотнений при их разрушении. Хотя это более мягкие типы загрязняющих веществ, они могут легко закрывать управляющее или демпфирующее отверстие. Крошечные частицы кремнезема (диоксид кремния) обычно находятся в верхнем слое почвы. Кварцевый песок — это кремнезем. Другие минералы и пыль на бетонном полу или проезжей части также содержат кремнезем. Эти твердые частицы с острыми краями приводят к катастрофическим отказам клапанов мобильных машин, работающих в этих условиях.

Фильтры не предназначены для компенсации плохой общей практики технического обслуживания , когда делается небольшая попытка правильно эксплуатировать систему и поддерживать ее окружение настолько чистым, насколько это возможно. Если в отчетах об анализе гидравлической жидкости постоянно показывается избыточный уровень частиц для данной системы, может быть полезно обратиться за помощью к независимому эксперту по фильтрации и контролю загрязнения, который может определить источник загрязнений, помочь в разработке улучшенных методов обслуживания или выбрать и указать дополнительные параметры. эффективные продукты и системы фильтрации.

Фильтры

предназначены для поддержания чистоты жидкости, а не для компенсации плохой эксплуатации и технического обслуживания.

Неизбежно, что некоторые загрязнители попадут в гидравлическую систему. Для достижения надежной работы гидравлической системы важно найти методы контроля накопления загрязнений, а затем последовательно следовать им, даже после того, как эксперт по контролю загрязнения покинул площадку.

Легко пропустить периоды перегрева системы и забыть, что эти периоды могут помочь создать осадок внутри жидкости или вызвать чрезмерный износ металла по металлу, когда тепло сделало масло слишком жидким.Полная картина контроля загрязнения требует бдительности, сотрудничества и ответственности от всех, кто взаимодействует с любой гидравлической системой. Операторам машин обычно поручают производить замену фильтров или замену изношенных гидравлических шлангов. Зачастую обучение, которое они получают (если есть), и инструкции в руководстве по техническому обслуживанию охватывают только минимальные этапы, связанные с задачей, без учета ваших стратегий борьбы с загрязнением. Повышение осведомленности о последствиях чрезмерного загрязнения жидкости может сыграть жизненно важную роль в достижении надежной работы гидравлической системы.

Хотя, безусловно, существуют технические аспекты для понимания и контроля загрязнения жидкости, практика эксплуатации и технического обслуживания выводит культурный и человеческий фактор на первый план, чтобы внести наиболее важный вклад.

CD Промышленная группа
carldyke.com
LunchBoxSessions.com

,

Гидравлическое усилие

Усилие, создаваемое на стороне штока (1) гидравлического поршня двойного действия — может быть выражено как

F ₁ = P ₁ (π ( d ₂ ² — d ₁ ² ) /4) (1)

, где

F ₁ = усилие стержня (фунт, Н)

d ₁ = диаметр штока (в, мм)

d ₂ = диаметр поршня (в, мм)

P ₁ = давление в цилиндре со стороны штока (фунт / кв.дюйм, бар)

Сила, создаваемая на противоположной стороне стержня (2) — может быть выражена как

F ₂ = P ₂ (π d ₂ ² /4) (2)

, где

F ₂ = усилие штока (фунт, Н)

P ₂ = давление в цилиндре (противоположный стержень) ( фунтов на квадратный дюйм, бар)

Гидравлический калькулятор силы

Imperial Units

Давление, действующее на сторону штока

Диаметр поршня — d ₂ (дюйм)

Диаметр штока — d ₁ (дюйм)

Давление в цилиндре — P ₁ (фунтов на квадратный дюйм)

Давление, действующее на противоположную сторону штока

Диаметр поршня — d ₂ (дюйм)

Давление в цилиндре — d ₂ (фунтов на квадратный дюйм)

Метрические единицы

Давление, действующее на сторону штока

Диаметр поршня — d ₂ (мм)

Диаметр штока — d ₁ (мм)

Давление в цилиндре — P ₁ (бар)

Давление, действующее на противоположную сторону штока

Диаметр поршня — d ₂ (мм)

Давление в цилиндре — d ₂ (бар )

Связанные мобильные приложения от Engineering ToolBox

• Приложение «Калькулятор гидравлической силы»

— бесплатные приложения для автономного использования на мобильных устройствах.

Усилие стержня F ₂ Диаграмма

— когда давление действует на противоположную сторону стержня.

Имперские единицы

Метрические единицы

• 1 фунт / кв. Дюйм (фунт / дюйм ² ) = 144 фунта на кв. Дюйм (фунт _ф / фут ² ) = 6 894,8 Па (н / м ^{21 2} ) = 6,895×10 ^-3 Н / мм ² = 6,895×10 ^-2 бар
• 1 Н / м ² = 1 Па = 1.4504×10 ^-4 фунт / дюйм ² = 1×10 ^-5 бар = 4,03×10 ^-3 в воде = 0,336×10 ^-3 футов воды = 0,1024 мм воды = 0,295×10 ^-3 в ртути = 7,55×10 ^-3 мм рт. Ст. = 0,1024 кг / м ² = 0,993×10 ^-5 атм
• 1 фунт _f (сила фунта) = 4,44822 N = 0,4536 кп
• 1 N ( Ньютон) = 0,1020 кп = 7,233 фунт / кв. Дюйм = 7,233 / 32,174 фунт _ф = 0,2248 фунт _ф = 1 (кг м) / с ² = 10 ⁵ дин = 1/9.80665 кг _f
• 1 дюйм (дюйм) = 25,4 мм
• 1 м (метр) = 39,37 дюйма = 100 см = 1000 мм

Сила тяги F ₁ диаграмма

— когда давление действует на ту же сторону стержня.

Имперские единицы

.