Том 335, № 8 (2024)

Актуальность. Снижение прочности – явление, которое становится более выраженным при температуре выше 110 °С, характеризуется значительными химическими и микроструктурными изменениями портландцемента в условиях высоких температур. Добавление частиц кремнезема (SiO₂) в цемент может значительно увеличить его устойчивость к снижению прочности, когда температура превышает 110 °С. Частицы наноглины в настоящее время используются в цементной промышленности для повышения прочности цементной матрицы благодаря своей способности заполнять капиллярные микропоры и сравнительно небольшому размеру.

Цель: исследование влияния добавления наночастиц (наноглины) в цемент Саудовского класса G на прочность на сжатие и растяжение, а также проницаемость цементного камня в условиях высоких (300 °С) температур.

Объекты: шесть образцов цементных растворов с различными концентрациями наноглины, цементные камни, испытанные через 7 и 28 суток твердения при температуре 25 и 300 °С.

Методы. Оценка химического состава цемента проводилась рентгенофлуоресцентным методом на анализаторе WORKSTN-V Olympus Vanta. Оценка физического состава цемента осуществлялась методом дифракции лучей на лазерном анализаторе размеров частиц Mastersizer 2000. Испытание образцов тампонажного камня выполнялось в соответствии с ISO 10426-2:2003 на гидравлическом прессе 65-L1132. Испытание прочности образцов на растяжение по бразильскому методу проводилось в соответствии со стандартом ASTM D 3967-08 на гидравлическом прессе 65-L1132. Проницаемость образцов определялась при однофазной стационарной фильтрации на установке для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна ПИК-ОФП-УЧ в соответствии с ISO 10426-2:2003.

Результаты. Полученные данные показали, что разрушения цемента при экстремально высоких температурах можно избежать за счет использования наноглины (до 3 % от массы цемента). Микроструктура цементной матрицы существенно пострадала из-за агрегации наночастиц при добавлении более 3 % наноглины. Все реологические характеристики цементного раствора были улучшены за счет добавления частиц наноглины.

Актуальность. Использование природного диопсида CaMgSi₂O₆ в производстве керамических диэлектриков реализовано на двух предприятиях Челябинской области в 1985 г. на основе комплексных исследований диопсидовых пород Южного Прибайкалья коллективом кафедры технологии силикатов Томского политехнического университета. Природный диопсид использовался в качестве добавки в шихту электротехнического фарфора. Кроме этого, изготавливались керамические диэлектрики с диопсидовой кристаллической фазой для службы при частотах 10⁶ Гц. В настоящее время потребность в керамических диэлектриках в России покрывается за счет импорта. Разработка новых технологий керамических диэлектриков из отечественного сырья является актуальной.

Целью данного исследования является разработка эффективной технологии керамических диэлектриков с диопсидовой кристаллической фазой из природных маложелезистых диопсидов, включающей получение компактов необожженных изделий литьем водных суспензий композиций непластичных компонентов.

Объектом исследования является технология керамических диэлектриков с диопсидовой кристаллической фазой, включающая обжиг компактов, сформованных из водных суспензий композиций диопсидового концентрата с перлитом в качестве плавня.

Методы. Суспензию получали измельчением компонентов в водной среде в шаровой мельнице уралитовыми шарами при влажности 20±2 %. Прочность при сжатии и изгибе, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость образцов определялись по ГОСТ 24409-80, водопоглощение – по ГОСТ 26093-84. Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-3М (Буревестник, Россия), анализ структуры – на электронном микроскопе JSM 6000 (Jeol, Япония).

Результаты. Особенностью предложенной технологии является использование для приготовления суспензии только непластичных компонентов и исключение глинистых компонентов, что позволяет уменьшить влажность отливок и стабилизировать процессы формирования структуры керамики при обжиге. Получен керамический диэлектрик с содержанием диопсида 70±2 мас. % обжигом изделий при 1130–1150 °С, сформованных литьём водных суспензий. Прочность при изгибе составила 85–90 МПа при электрической прочности 35–38 кB/мм².

Актуальность исследования заключается в необходимости определения допустимых погрешностей гидравлических расчетов поверхностных трубопроводов системы поддержания пластового давления. Это необходимо делать в том числе ввиду изменения свойств попутно добываемой воды. Вследствие перехода большинства месторождений на поздние стадии разработки повышается обводнённость добываемой продукции, изменяется состав и свойства пластовых вод вследствие прорыва закачиваемой воды. Данные обстоятельства могут привести к существенному изменению минерализации, состава и Ph воды, что необходимо учитывать при численном моделировании.

Цель: создание номограммы для оценки погрешности, возникающей вследствие изменения свойств попутно добываемой воды, на численное моделирование работы напорных трубопроводов системы поддержания пластового давления.

Методы: гидравлические расчёты в программном обеспечении «Инженерный симулятор технологических процессов», анализ свойств проб попутно добываемой воды в лаборатории, оценка плотности проб попутно добываемой воды в программном продукте PVTSim 20.

Результаты. Исследования проведены на пробах попутно добываемой воды, взятых с семи скважин. Значение минерализации в системе поддержания пластового давления в течение года изменяется от 247,85 до 327,79 г/дм³. Расчётная плотность изменяется в пределах от 1188 до 1255 кг/м³. Для расчёта давления на устье нагнетательной скважины в ходе закачки воды взяты пробы с наибольшей, средней и наименьшей плотностью. Анализируя полученные данные, можно отметить сильное влияние свойств воды на значения устьевых давлений. На основе проведённых исследований создана номограмма для определения степени влияния изменения свойств воды в ходе гидравлического расчёта с учётом приёмистости нагнетательных скважин и длины трубопроводов на распределение давления в системе.

Выводы. В ходе численного моделирования довольно затруднительно учесть все параметры, влияющие на точность получаемых расчётов. Для этого предлагается использовать созданную номограмму, позволяющую оценить допустимые погрешности гидравлического расчета путем учета вариативности свойств воды, направляемой в систему поддержания пластового давления.

Актуальность исследования обусловлена недостаточной изученностью влияния физических особенностей зон развития эндогенного пожара в породоугольном массиве на результаты диагностирования расположения и границ этих зон методом георадиолокации, что снижает точность прогноза.

Целью исследования является экспериментально-теоретическое обоснование рационального частотного диапазона и критериев диагностирования зон эндогенных пожаров в породоугольных массивах методом георадиолокации с учетом физических особенностей этих зон.

Объект: физические параметры зоны самовозгорания углепородного массива, влияющие на результаты георадиолокационного мониторинга: геометрия очага пожара; диэлектрическая проницаемость и удельное электрическое сопротивление.

Методы: анализ по экспериментальным данным диапазонов изменения электромагнитных свойств горных пород при изменении температуры и влажности в диапазоне частот георадиолокации; выявление эффективных принципов расчета режимов георадара, обеспечивающих оптимальное сочетание глубинности и разрешающей способности; анализ банка практических радарограмм с аномальными зонами, аналогичными по свойствам зонам эндогенных пожаров.

Результаты. Рациональный диапазон центральной частоты георадара может быть определен следующими методами: на основе комплексного параметра, включающего излучаемую мощность антенны, число накоплений и коэффициент отражения от границы объекта; по экстремальному значению функции, включающей глубину и детальность зондирования как функции частоты; решением системы уравнений функции ослабления сигнала и энергетического потенциала георадара. Физические особенности зоны эндогенного пожара состоят в высушивании породоугольного массива с образованием аномальной зоны с ярко выраженными диэлектрическими свойствами (=4–6; >100 Ом·м), по форме близка к вытянутому эллипсоиду или сплюснутому по вертикали сфероиду. С учетом этих особенностей рациональный диапазон центральной частоты для георадара «ОКО-2» составил 49,2–132,6 МГц, при этом разрешающая способность составит 0,442–1,152 м. При интерпретации радарограммы запожаренные зоны диагностируют по участкам, отличающимся аномальным ослаблением осей синфазности, а зоны обрушенных пород и пустот над очагом – по аномальной хаотичной волновой картине.

Актуальность. Прихват бурильных труб увеличивает непроизводительное время буровой установки, повышает риски контроля специального оборудования при проходке сложных по структуре коллекторов. Для точного описания таких негативных сценариев требуется универсальная методика, включающая комплексную геомеханическую и гидродинамическую модель с детальным прогнозом взаимосвязанных физических процессов в открытой термодинамической системе «коллектор–скважина–буровой раствор». Проблемы построения «гибкой» модели, разработки корректной методики исследования прихватов нетривиальны и представляют интерес для инженерных приложений в нефтегазовой отрасли.

Цель. По реальным данным на месторождениях в Южном Ираке предлагается: исследовать прихваты труб при бурении скважин с наклонной образующей ствола; оценить риски, выявить особенности и закономерности прихватов; разработать модель и методику их предупреждения.

Объект: прихваты и их эффекты.

Методы: геомеханический и гидродинамический, численный и аналитический.

Результаты. Представлен детальный обзор и критический анализ сценариев прихвата бурильных труб на месторождениях в Южном Ираке. Проанализированы факторы, влияющие на прихват и эффективность работы буровой установки в процессе бурения наклонных и горизонтальных участков скважин. Установлены критерии, определяющие эффективность бурения с учетом изменений режимов работы оборудования. Обсуждаются особенности управления параметрами бурения, ответственными за предупреждение прихвата на ранней стадии, седиментации шлама в донной части наклонных участков и засорения скважины. Выводы проиллюстрированы результатами анализа фактических сценариев прихватов, данными численного моделирования динамики частиц в затрубном пространстве горизонтальных эксцентричных скважин, полученными в расчетах сложного сдвигового течения неньютоновской дисперсной смеси с использованием идей эйлерово-эйлерова и эйлерово-лагранжева подходов.

Актуальность исследования обусловлена острой необходимостью ликвидации загрязнений окружающей среды промышленными выбросами различных твердых частиц. При этом максимальное внимание уделяется очистке отходящих газов от частиц размером 2,5 мкм и менее. Одним из наиболее перспективных способов повышения эффективности существующего газоочистного оборудования при улавливании таких частиц является их коагуляция за счет воздействия на газовый поток высокоинтенсивными акустическими колебаниями ультразвуковой частоты. Однако при низкой концентрации, даже при максимально допустимом уровне звукового давления, эффективность коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм недостаточна для увеличения степени улавливания газоочистного оборудования. Поэтому существует настоятельная необходимость поиска новых путей дальнейшего повышения эффективности ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм.

Цель: определение условий формирования вихревых потоков в ультразвуковых полях с максимальным по уровню звукового давления ультразвуковым воздействием; проведение сравнительных исследований процесса коагуляции частиц с размером 2,5 мкм при наличии вихревых потоков и без них. Это позволит определить реальные значения повышения эффективности УЗ-коагуляции при турбулизации газодисперсного потока акустическими течениями в сравнении с коагуляцией в равномерном УЗ-поле и без него.

Объекты: процесс коагуляции частиц под воздействием однородного и неоднородного ультразвуковых полей.

Методы: Компьютерное моделирование формируемого ультразвукового поля методом конечных элементов с помощью гармонического акустического анализа. Моделирование и разработка дисковых излучателей методом конечных элементов в модальном анализе. Рассматривается экспериментальный метод исследования процесса объединения частиц под воздействием ультразвуковых колебаний. Для определения характеристик аэрозоля при проведении экспериментальных исследований использован измеритель ТИПАС-1, основанный на методе малоуглового рассеяния и методе спектральной прозрачности.

Результаты. Представлены результаты исследований процесса коагуляции частиц размером 2,5 мкм и менее в ультразвуковом поле, формируемом в резонансных промежутках колеблющимися дисковыми излучателями. Предложен новый путь повышения эффективности коагуляции в резонансных промежутках за счет применения ультразвуковых дисковых излучателей, способных формировать в резонансных промежутках чередующиеся зоны максимальных и минимальных по амплитуде колебаний. Создание таких зон обеспечило формирование акустических течений вихревого типа, способных перемещать частицы в пределах узловых областей стоячей волны и между ними. Вовлечение в формируемые течения мелких частиц позволило повысить вероятность их столкновения. Установлено, что более эффективная УЗ-коагуляция обеспечивает повышение степени инерционного улавливания для частиц размером 2,5 мкм на 6 % – от 89 до 95 %, для частиц размером 1,5 мкм на 7 % – от 85 до 92 %, а для частиц размером 0,5 мкм на 9 % – от 76 до 85 %.

Актуальность исследования глубинного строения Змеиногорского рудного района обусловлена поисками скрытого и слабо проявленного на поверхности колчеданно-полиметаллического оруденения в пределах рудноалтайской минерагенической зоны. Эта задача представляет особый прогностический интерес в связи с высокой опоискованностью района на поверхности и перспективами обнаружения скрытого оруденения на более глубоких горизонтах.

Цель: геотектоническое моделирование структурно-вещественных неоднородностей земной коры Змеиногорского рудного района на основе комплексной интерпретации геолого-геофизических данных с выявлением закономерностей локализации скрытого и слабо проявленного на поверхности колчеданно-полиметаллического оруденения.

Объекты: закономерности локализации скрытого и слабо проявленного на поверхности колчеданно-полиметаллического оруденения в пределах Змеиногорского рудного района Рудного Алтая.

Методы: обработка площадных и профильных материалов изученности Рудного Алтая, качественная и количественная интерпретация разнородной геолого-геофизической информации на региональном и детальном уровнях. Изучение истории развития и геодинамических обстановок формирования рудоносных структур Змеиногорского рудного района с выявлением геолого-структурных прогностических признаков на глубинах, представляющих практический интерес.

Результаты. На основе комплексного анализа разнородных геолого-геофизических данных выполнена историко-эволюционная и геодинамическая интерпретация минерагенических структур Змеиногорского рудного района в пределах Рудного Алтая; эти материалы могут быть положены в основу региональных прогнозных построений с использованием нестандартных геолого-структурных и вещественных (тектонических) признаков; верифицировано особое влияние тектонических событий, характеризующих обстановку активной континентальной окраины с осложняющими эпизодами рифтогенеза; выявлены закономерности локализации колчеданно-полиметаллических руд в вулканогенно-осадочных породах с обоснованием комплекса прогнозных критериев.

Актуальность обусловлена недостаточной обоснованностью количественных критериев регионального, локального и текущего прогноза удароопасности разрабатываемых угольных пластов, отсутствием алгоритмов, увязывающих применение при прогнозе геофизических и прямых геомеханических методов.

Цель: разработка комплексного метода геодинамического прогноза, включающего определение протяженности удароопасного участка, выявленного по результатам регионального прогноза по данным регистрации системы сейсмического мониторинга GITS, для проведения локального и текущего прогноза удароопасности нормативными методами.

Объект: массив горных пород выемочного столба 4-1-5-7 шахты «Осинниковская» при ведении горных работ в зоне группы тектонических нарушений и пересечении передовой выработки.

Методы: региональный геомеханический прогноз геофизическим методом регистрации сейсмической активности (система GITS), локальный (текущий) прогноз методами естественного электромагнитного излучения (аппаратура Ангел-М) и выход буровой мелочи.

Результаты. Представлены результаты комплексных исследований в выемочном столбе 4‑1-5-7 шахты «Осинниковская» по установлению корреляции между сейсмической активностью и параметрами напряженно-деформированного состояния массива. Было введено понятие интегральных показателей рассматриваемых параметров I_F и I_kσ, которые учитывают площадь зоны для i-го диапазона по комплексному параметру сейсмической активности F и коэффициенту концентрации вертикальных напряжений в кровле пласта K_σ. Установлено, что информативность интегральных показателей почти в два раза превышает информативность исходных параметров. Приведены экспериментальные номограммы f(F_max;x_F) и f(I_F;x_F) для определения категории «ОПАСНО/НЕОПАСНО» при региональном прогнозе удароопасности по данным системы сейсмического мониторинга GITS. Разработан общий алгоритм прогноза удароопасности при ведении очистных работ, в котором применен комплексный подход, включающий региональный прогноз по регистрации сейсмической активности в пределах шахтного поля и методы локального прогноза как геофизические, так и прямые, для уточнения границ зон сейсмоэнерговыделения и подтверждения категории удароопасности. Представлен пример определения ширины зоны повышенного сейсмоэнерговыделения в ближайшей к сейсмоактивной зоне выработке. Показана динамика возникновения, развития и снижения зоны сейсмоэнерговыделения на рассматриваемых участках в горных выработках. Приведены примеры выполнения локального прогноза удароопасности на ранее установленных потенциально опасных участках методами регистрации естественного электромагнитного излучения горных пород и по выходу буровой мелочи.

В пределах образований энсиматических и энсиалических островных дуг на территории Центрального и Восточного Казахстана насчитывается более тридцати колчеданных месторождений, обогащенных медью, свинцом, цинком, золотом, серебром и редкометальной минерализацией, являющейся до настоящего времени недостаточно изученной.

Актуальность исследования заключается в необходимости восполнения информации о теллуро-висмутовой минерализации в рудах колчеданных месторождений, сформированных в энсиматической (месторождение Абыз) и энсиалической (месторождение Малеевское) островодужных системах, для установления пространственной связи данного типа оруденения с геодинамическими обстановками и прогнозирования потенциала их попутного извлечения из руд.

Целью работы являлось изучение и сравнение морфологических характеристик, закономерностей распределения и условий формирования теллуро-висмутовой минерализации в рудах колчеданных месторождений, образованных в разных островодужных геодинамических обстановках.

Методы: масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, минераграфический и минералогический анализы, сканирующая электронная микроскопия в комплексе с рентгеноспектральным микроанализом, рамановская спектроскопия, термобарогеохимические исследования.

Результаты. Сравнение колчеданных месторождений Рудноалтайской и Чингиз-Тарбагатайской островодужных систем показало многие черты их сходства и различия. Месторождения имеют многостадийное формирование и близкий механизм рудоотложения со сходными условиями образования теллуро-висмутовой минеральной ассоциации. Установлена пространственная связь данного типа оруденения с геодинамическими обстановками: для месторождения, приуроченного к палеоокеанической структуре, наблюдается преобладание теллурового элемента, а для месторождения, сформированного на континентальном рифте – висмутового.

Актуальность. Обусловлена необходимостью очистить почву и акватории, загрязненные отходами нефтяной и химической промышленности. Физико-химические методы являются одними из эффективных способов очистки при условии своевременного применения сорбентов для сбора загрязнений с поверхности акваторий и ландшафтов. Сорбционный метод является наиболее эффективным и экономически выгодным при сравнительно небольших масштабах загрязнения. Несмотря на многообразие существующих сорбентов, в большинстве случаев при ликвидации аварийных разливов, прежде всего, руководствуются экономической выгодой и значением нефтеёмкости сорбента. Однако редко обращают во внимание такие существенные критерии, как: 1) основное назначение (тип загрязняемой поверхности и характер загрязнения); 2) физико-химические свойства, включая структурные характеристики и кислотно-основные центры адсорбции; 3) особенности процессов нефтепоглощения либо адсорбции других загрязнителей. При учёте данных факторов появляется возможность разрабатывать и улучшать рецептуру сорбентов на основе фосфатных пеностёкол. Введение различных модифицирующих добавок в состав материала, вероятно, расширит их область использования.

Цель. Отработка рецептурно-технологических особенностей получения новых фосфатных сорбентов применительно к их целевому назначению: для сбора разливов нефти и нефтепродуктов с почв либо с водных поверхностей.

Методы. Гравиметрические, микроскопические спектроскопические, статистические и сравнительные методы.

Результаты и выводы. Проведено сравнение сорбентов № 1 и 2 по физико-химическим свойствам, морфологии и эффективности очистки. На основании проведённых нами лабораторных исследований сделан вывод, что сорбент № 1 лучше подходит для сорбции с водных поверхностей, а сорбент № 2 – для очистки почв. Оба сорбента обладают потенциалом, позволяющим улучшить их технологические свойства. Это позволяет дорабатывать рецептуру данных материалов с последующей апробацией в лабораторных и в натурных условиях, например, на местах разлива нефтепродуктов. Для этого можно изменить состав материала, используя иной вспениватель, применяя модифицирующие добавки и варьируя температурный режим обжига. Разработка новых составов и методов вспенивания сорбента позволит подобрать оптимальные характеристики для каждого типа загрязнения. Также предложено создание фосфатного биосорбента, получаемого путём иммобилизации грибов и бактерий на поверхность высокопористого носителя. В таком случае после сорбции загрязнения адсорбированные вещества подвергнутся биодеструкции с образованием безопасных продуктов, а сорбент выполнит роль удобрения.