CC BY
54
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫМ ГИДРОРАЗРЫВОМ В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
Андрей Владимирович Патутин
Институт горного дела СО РАН, 630060, ул. Зеленая Горка, 3, аспирант, (383)3359642, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
Сергей Владимирович Сердюков
Институт горного дела СО РАН, 630060, ул. Зеленая Горка, 3, доктор технических наук, заведующий лабораторией, (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
Алексей Алексеевич Зиновьев
Новосибирский государственный университет, 630090, ул. Пирогова, 2, магистрант, (913)477-00-08, e-mail: alexeyazinovyev@hotmail.com
Проведены численные исследования гидроразрыва системы параллельных скважин с помощью разработанного программного обеспечения. Для сложного напряженного состояния массива показано влияние давления гидроразрыва на устойчивость развития трещинв заданном направлении, а также, оценено максимальное расстояние между скважинами, при котором возникает единый разрыв. Полученные результаты могут быть использованы при решении задач дегазации угольных пластов или подземной добычи метана.
Ключевые слова: управляемый гидроразрыв, моделирование, дегазация, метан угольных пластов.
NUMERICAL MODELING OF LONGITUDINAL HYDRAULIC FRACTURING CONTROL IN COAL SEAM
Andrey V. Patutin
Institute of Mining SB RAS, 630060, Zelenaya Gorka st., 3, postgraduate, (383)335-96-42, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
Sergey V. Serdyukov
Institute of Mining SB RAS, 630060, Zelenaya Gorka st., 3, Dr.Sci., head of laboratory, (383) 33596-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
Alexey A. Zinovyev
Novosibirsk State University, 630090, Pirogova st., 2, undergraduate, (913)4770008, e-mail: alexeyazinovyev@hotmail.com
Hydraulic fracture modeling of parallel well system using special developed software was performed. The effect of pressure on the crack propagation stability in a complex stress state is shown. Also, the maximum distance between hydraulically fractured wells at which a connected crack formed was calculated. The data obtained can be used to solve problems concerning coal seams degassing or CMB (coal bed methane) production.
Key words: hydraulic fracturing control, modeling, degassing, coal bed methane.
С увеличением глубины разработки угольных месторождений повышаются газоносность пластов и степень их выбросоопасности. Об этом свидетельствуют катастрофические проявления выбросов метана, повторяющиеся в различных угледобывающих регионах мира. Решение этой проблемы осложняется низкой проницаемостью угля, сорбцией метана на твердой поверхности, влиянием водонасыщенности, сложным геомеханическим состоянием пластов, наличием в них геологических нарушений.
Особую сложность представляет извлечение метана на стадии подготовительных работ, когда угольный пласт мало затронут разработкой, когда отсутствует развитая сеть дегазационных каналов. Недостаточная степень дегазации угля на этой стадии способствует в дальнейшем повышению риска катастрофических газодинамических проявлений и снижению производительности добычи угля.
Основным методом интенсификации дегазации угольных пластов является гидроразрыв, применяемый как на стадии заблаговременной дегазации в скважинах, пробуренных с дневной поверхности, так и в подземных условиях для предварительной дегазации угля и вмещающих пород. Анализ существующих технологий дегазации угольных пластов с использованием гидроразрыва, показывает их основные недостатки:
1. Неуправляемый характер развития гидроразрыва, траектория трещин которого определяется полем внешних напряжений и локальными неоднородностями в окрестности скважины;
2. Выход трещин неуправляемого гидроразрыва в борта горных выработок и образование воздушных конусов - захвата воздуха в дегазационные скважины.
Наибольший практический интерес представляет синхронное развитие нескольких трещин, конечной целью которого является создание единой трещины большой длины, направленную, в первую очередь, вдоль простирания угольного пласта. При этом возникает задача определения взаимного расположения скважин синхронного гидроразрыва, обеспечивающих слияние трещин при заданном напряженном состоянии углепородного массива.
Для оценки эффективности управления синхронным развитием нескольких трещин продольного гидроразрыва разработано программное обеспечение на основе пошагового алгоритма построения квазистатических траекторий, рассчитываемых при развитии системы трещин [1, 2]. Данная программа позволяет рассчитывать траекторию в зависимости от:
а) Расстояния между центрами начальных трещин d, сформированных геомеханическим способом в окрестности скважин;
б) Длины трещин l;
в) Напряженного состояния углепородного массива, в т. ч.: минимального q0 и максимального р0 сжимающих напряжений и их отношения qdp;
г) Угла gam между максимальным напряжением и заданной плоскостью слияния трещин.
В ходе численных экспериментов полагалось, что в изотропной упругой плоскости имеется пять трещин длиной 1 = 2 каждая (полудлина равна 1), расположенных на одной прямой вдоль оси X, а на бесконечности действует сжимающие напряжения интенсивностью р0 и q0 (р0 > q0), причем максимальное главное напряжение р0 направлено под углом gam к линии начальных трещин (к оси X). Затем происходит подача жидкости в трещины под давлением e00xp0 (e00 > 1), обеспечивающим рост трещин.
Расчет процесса развития трещин останавливался, когда выполнялось одно из следующих условий: либо трещины сближались по координате X на величину axkrit, либо одно из крыльев какой-либо трещины выходило за границу заданного интервала aykrit.
Введение ограничения ax^n на сближение трещин связано с тем, что используемый алгоритм расчетов не предполагает взаимного пересечения траекторий трещин. Значение axkrit выбиралось достаточно малым, чтобы считать сблизившиеся на это расстояние трещины единой трещиной.
Введение ограничения ±aykrit по оси Y связано с тем, что при достижении этого условия (выход трещины из полосы [-ay^; aykrit]) в ходе дальнейшего роста трещин они гарантировано не сливаются друг с другом.
Значения ax^ и aykrit определялись из решения вспомогательной подзадачи исследования процесса взаимодействия и слияния трещин при сближении на относительно малые расстояния.
Целью численных исследований являлось определение максимально возможного расстояния dmax между скважинами, при котором единичные трещины сливаются в единый разрыв, и оценка влияния различных факторов на это расстояние.
Численный эксперимент проводился по следующей схеме:
а) Значение qdp выбиралось равным 0.5 или 0.8;
б) Угол gam выбирался равным 10, 30, 45, 60 или 80 градусам;
в) Отношение давления в трещине к максимальному сжимающему напряжению e00 варьировалось в диапазоне значений от 1.2 до 10.0;
г) Для axkrit и aykrit задавались следующие значения: 0.05 и 1.
В ходе экспериментов находили искомое значение dmax.
На рисунке приведены расчетные зависимости максимального расстояния
dmax от e00 при значениях отношения минимального главного напряжения к
максимальному равным 0.8 и 0.5.
Из представленных графиков видно, что при увеличении давления в трещинах происходит рост расстояния dmax, и этот рост происходит тем быстрее, чем ближе угол gam к направлению одного из главных напряжений. Общая зависимость dmax(e00) имеет вид dmax=A*\ne00+B со степенью аппроксимации близкой к единице (коэффициент корреляции r2>0.99).
При уменьшении значения qdp расстояние dmax также уменьшается. В неравномерном поле сжатия расстояние dmax между скважинами при других равных условиях меньше, чем при гидростатическом (равномерном) сжатии.
При уменьшении угла gam от 80° до некоторого gamkrit, значение dm а при дальнейшем уменьшении gam - начинает расти.
снижается,
25
20
О
о. 15
-а 5
♦ gam=80°
■ gam=60° > gam=45° с gam=30°
ж gam=10°
0 2 4 6
е00, отношение давлений
<и 25
X
I
сс
о
5 20
15
ю 10 ш
\о
-О 5
♦ gam=80°
■ gam=60° > gam=45° РЛП1= 4ft°
C(ll 11| JU * gam=10°
2 4 6 8
е00, отношениедавлений
а) б)
Рис. Полученные зависимости dmax от e00 для qdp = 0.8(a) и qdp = 0.5(6)
В целом, указанные результаты соответствуют общепринятым представлениям линейной механики трещин, что подтверждает корректность работы алгоритма и вычислительной программы.
Также была получена зависимость dmax от e00 при различных qdp, причем угол между направлением действия максимального главного напряжения и линией трещин был равен 0°, либо близок к 90°.
В этом случае, когда трещины развиваются в направлении одного из главных напряжений, формирование единой системы трещин выполняется при наибольших расстояниях между скважинами гидроразрыва, причем, максимальное значение dmax наблюдается при развитии трещин в энергетически менее выгодном направлении (gam приблизительно равен 90°) - в направлении действия минимального главного напряжения.
Полученные результаты показывают сильное влияние давления разрыва на устойчивость развития трещин в заданном направлении. При малых давлениях (низких темпах подачи жидкости разрыва в трещины) значение dmax в несколько раз ниже (примерно, прямо пропорционально параметру e00), чем при высоких значениях e00, что свидетельствует в пользу импульсного характера гидроразрыва. Для реализации высокого темпа подачи жидкости в трещину необходимо тщательно подходить к выбору оборудования гидроразрыва; например, использовать более производительные насосы, либо применять пневмогидроаккумуляторы большой емкости, автоматически подключающиеся в момент формирования разрыва.
Таким образом, можно сформулировать следующие выводы.
Разработан алгоритм расчета траектории трещин синхронного продольного гидроразрыва группы параллельных скважин. Выполнены оценки влияния напряженного состояния углепородного массива на максимально допустимое расстояние между скважинами, обеспечивающее слияние трещин продольного гидроразрыва в единый разрыв. Показана целесообразность импульсного гидроразрыва с высокими темпами подачи жидкости в растущие трещины. Полученные результаты создают основу для проектирования продольного гидроразрыва в углепородном массиве при решении задачи подземной добычи метана или интенсификации его предварительной дегазации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексеева Т.Е., Мартынюк П.А. Траектории выхода трещин на свободную поверхность//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -Новосибирск, 1991. - № 2. - С. 15-25.
2. Мартынюк П.А., Шер Е.Н. О развитии трещины вблизи кругового отверстия с учетом внешнего поля сжимающих напряжений//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - Новосибирск, 1996. - № 6. - С. 19-30.
© А.В. Патутин, С.В. Сердюков, А.А. Зиновьев, 2012
