Изучение возможности применения давления роста трещин гидроразрыва для определения напряжений, действующих в массиве Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 539. 375

В.А. Павлов, А.В. Янкайте

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ РОСТА ТРЕЩИН ГИДРОРАЗРЫВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В МАССИВЕ

V.A. Pavlov, A.V. Yankayte

Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Science, Novosibirsk, Russia

THE STUDY OF THE POSSIBLE APPLICATION OF FRACTURE WIDENING PRESSURE FOR EVALUATION OF STRESS IN THE ROCK

The hydraulic fracturing method is proposed to evaluate the state of stress of permeable rock. The following method is contained in hipping of combined equations without the shut-in pressure.

В настоящее время на горных предприятиях остро стоит проблема контроля напряженно-деформированного состояния. Условия разработки месторождений полезных ископаемых значительно усложняются из-за увеличения глубины залегания. При этом значительно возрастает интенсивность динамических явлений, что неизбежно ведет к необходимости измерения напряженного состояния массива горных пород.

Классический способ оценки напряженного состояния горных пород с применением гидроразрыва - единственного метода с требуемой глубинностью исследований - включает герметизацию короткого интервала необсаженной скважины, и последующее его нагружение рабочей жидкостью под давлением вплоть до образования в околоскважинном пространстве трещин растяжения. Подача жидкости осуществляется насосом с малым расходом. Напряженное состояние оценивается по давлению запирания трещины гидроразрыва и давлению ее открытия на контуре скважины в повторном цикле нагружения.

В трещиноватых и пористых породах, вследствие больших утечек рабочей жидкости в среду, вызывает затруднение фиксирование и давления запирания и давления открытия трещин.

Одним из известных способов предотвращения утечек является применение «сухого» гидроразрыва. С помощью стандартного метода гидроразрыва формируются трещины. Затем, при повторном нагружении, «сухой» гидроразрыв позволяет определять давление открытия трещин. Но проблема измерения давления запирания в высокопроницаемых средах не решается, что делает невозможным оценку напряженного состояния в целом, то есть, не определено одно из неизвестных в системе уравнений с двумя неизвестными.

Для решения этой проблемы предложен способ доопределения системы уравнений введением дополнительных уравнений связи: с использованием зависимости давления распространения трещины «сухого» гидроразрыва от ее длины.

Рассмотрим случай повторного нагружения симметричных трещин гидроразрыва в направлении действия а11. Так как трещины уже существуют, прочность пород на разрыв равна нулю. Будем проводить операцию «сухого» гидроразрыва с использованием оболочки, препятствующей проникновению рабочей жидкости в трещину. При этом аналогично традиционной схеме метода оценки напряженного состояния гидроразрывом легко фиксируется давление открытия трещины на контуре скважины Pr:

Рг = 3(^22 -а11 • (!)

Рассмотрим давления распространения (в массиве существуют закрытые трещины) по мере роста длинны открытого участка L•

Запишем соотношение Pf от L / гМ!:

кг Г

РС1 - Р0

1С_

п_

П_

а

11

п*

а 22 •

(2)

На рис. 1, 2 приведены расчетные графики в зависимости от исходных комбинаций а11, а22. На рис. 1 представлены графики при фиксированном значении а22 и различных значениях а11. Точка при L / тм, равном нулю соответствует давлению раскрытия трещин, соответственно вычисляемому по формуле (1). Для малых значений L / тм, < 0,4 градиент давления уменьшается с уменьшением разности между фиксированным а22 и напряжением а11, которое имеет различные значения. То есть чем меньше разница между напряжениями, действующими в массиве, тем более пологий график мы имеем. Так при переходе от равномерного напряженного состояния к неравномерному получаем все большие значения градиентов давления распространения трещины. В этом случае график соответствующий условию, при котором а22 и а11 равны, располагается выше всех остальных графиков. При L / ^ > 0,4 значение градиента Pf на всех графиках стремится к dPf/d(L / при

равномерном напряженном состоянии, начиная с этого момента графики устремляются к кривой, характерной для равных значений а22 и ап (она представляет собой асимптоту для остальных графиков).

• <т22=-10,о11=-10

• <г22=-10,о11=-15

• <г22=-10,о11=-20

• <г22=-10,о11=-30

1,5

Г

0,3

0,6

0,9

1,2

Рис. 1. Теоретический график зависимости Pf от L / гм, при фиксированном

значении а22

На рис. 2 приведены теоретические графики при фиксированном отношении между а22 и а11, равному некоторой константе. При увеличении разности между а22 и а11 значение градиента давления увеличивается. При большей разнице между а22 и а11, которые действуют в массиве при постоянном отношении между величинами а22 и а11, графики имеют все больший наклон, а соответственно и большее значение градиента давления Рр. На интервале L / гм, = 0,3-0,8, где графики близки к прямым, особенно заметна разница между значениями dPf / d(L / гм). При увеличении L / гм, разница между градиентами графиков увеличивается, и кривые расходятся (в отличии от случая при фиксированном а22 где при увеличении L / тм, графики сходятся).

------------а22=-5;а11=-10

-----------а22=-10;а11=-20

— • — • а22=-20;а11=-40 ------------а22=-30;а11=-60

Рис. 2. Теоретический график зависимости Рр от L / гм, при фиксированном

значении отношения а22 и а11

Из графиков следует, что в зависимости от а22, а11 давление раскрытия трещины Рг меняется, и имеем dPf / d(L / ) = Р (а22, а11). Полученные результаты показывают существование зависимости градиента роста давления от Ь и а22, а11, что показывает принципиальную возможность доопределения системы уравнений этим параметром. При этом возникает задача оценки Ь в эксперименте, что является дополнительным шагом исследования, необходимого для решения задачи.

Для нагруженного массива горных пород градиент dPС/ d(L / г^) столь велик, что рост Ь / ^ до нескольких единиц ведет к неприемлемо высоким значениям Рс. Следовательно, применение изолирующих оболочек возможно только в разгруженных зонах массива (на чем и основывается

требование о предварительном проведений в исследуемом интервале скважины классического гидроразрыва).

Способ оценки напряженного состояния массива проницаемых горных пород предложенным методом, включает в себя создание радиальных трещин в окрестности скважины методом гидроразрыва, и измерение давления раскрытия последующим радиально симметричным нагружением с применением непроницаемой оболочки. Для расчета напряжений вводится другой параметр Рр , позволяющий совместно с Рг получить систему уравнений для расчета напряжений, действующих в массиве.

Вывод

Установлено наличие зависимости давления распространения по мере роста длинны открытого участка трещины гидроразрыва от напряжений, действующих в массиве. В результате система уравнений для поиска напряжений при «сухом гидроразрыве» может быть доопределена при помощи данного параметра - давления распространения трещин Рр.

© В.А. Павлов, А.В. Янкайте, 2008