CC BY
7
УДК 622.831
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-194-198
О КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЯХ СКВАЖИННЫХ ЗОНДОВ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА
Екатерина Владимировна Рубцова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)205-30-30, доп. 174, e-mail: rubth@misd.ru
Изложены основные требования, предъявляемые к конструкции скважинных зондов в технологии измерительного гидроразрыва. Дана сравнительная оценка известных технических решений. Рассмотрены конструктивные схемы, упрощающие процесс управления зондом и обеспечивающие надежность герметизации исследуемого интервала скважины при гидроразрыве.
Ключевые слова: скважина, зонд, гидроразрыв, уплотнительный элемент, механизм сжатия, герметизация, напорная магистраль, золотник.
ON DESIGN FEATURES OF BOREHOLE SONDES USED FOR MEASUREMENT HYDRAULIC FRACTURING
Ekaterina V. Rubtsova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 174, e-mail: rubth@misd.ru
The main requirements for the design of borehole sondes employed in hydraulic fracturing are outlined. Comparative evaluation of known technical solutions is given. Constructive schemes that simplify the sonde's control process and ensure the reliability of the sealing of the investigated borehole area during hydraulic fracturing are considered.
Key words: borehole, sonde, hydraulic fracturing, packing element, compression mechanism, sealing, delivery pipe, slide valve.
Измерительный гидроразрыв является одним из немногих методов, обеспечивающих экспериментальную оценку параметров поля напряжений на значительном удалении от контура выработки. В последние годы метод достаточно активно развивается и применяется на практике как в России, так и за рубежом [1-4].
Оборудование, применяемое для выполнения измерительного гидроразрыва в классическом варианте включает в себя скважинный зонд, средства досылки зонда в скважину, систему нагнетания рабочей жидкости, средства измерения и обработки данных. Технология выполнения измерительного гидроразрыва предполагает размещение зонда в скважине на заданном расстоянии от кровли выработки, герметизацию при помощи размещенных на корпусе зонда уп-лотнительных элементов (пакеров) короткого интервала скважины и нагруже-ние его жидкостью под давлением до достижения критических растягивающих
напряжений на стенке скважины, приводящих к образованию трещины гидроразрыва. По величине контролируемых давлений запирания трещины гидроразрыва и ее открытия при повторных нагружениях определяют параметры поля напряжения в окрестности выработки.
Основным техническим средством, обеспечивающим выполнение измерительного гидроразрыва, является скважинный зонд. Рассмотрим наиболее существенные требования, предъявляемые к его конструкции.
В первую очередь, зонд должен обеспечивать надежную герметизацию исследуемого интервала скважины, не допускающую проникновения рабочей жидкости в зону контакта пакера со стенкой скважины или за его пределы («обыгрывание» пакера). К основным требованиям следует также отнести надежность и простоту управления режимами работы зонда при его размещении на значительных расстояниях от контура выработки, легкость конструкции для облегчения монтажа устройства в скважине и возможность беспрепятственного извлечения зонда из скважины после распакеровки.
Важным элементом конструкции скважинного зонда является пакер. Известны два основных типа пакеров, отличающиеся принципом работы - инъекционные и зажимные. В конструкции инъекционного пакера наиболее ответственным является вопрос заделки торцов оболочки, так как пакер работает путем нагнетания жидкости или газа во внутреннюю полость оболочки. Известные технические решения отличаются способом закрепления уплотнительных элементов на корпусе (с подвижными или неподвижными концами оболочек), видом материала оболочки и ее армирования (металлический корд, капроновый корд и т. п.).
Следует отметить, что инъекционные пакеры нашли широкое применение при выполнении горнотехнологических гидроразрывов. Признанными лидерами в разработке и производстве пакеров для горнотехнологических гидроразрывов являются компании IPI и RIPE (Австралия), BASKI и TAM (США). Так пакеры DuraFRAC компании IPI, предназначенные для интенсификации добычи углеметана, измерений напряженного состояния в угольном массиве, выпускаются диаметром от 35 до 216 мм и рассчитаны на давления до 82 МПа. Однако в России надувные пакеры для горнотехнологических гидроразрывов, а также средненапорных инъекционных работ не выпускаются. Пакерные оболочки высокого давления поставляются только в составе готовых устройств гидроразрыва, при этом стоимость простейшего двухпакерного устройства для скважин диаметром 76 мм начинается от 30-40 тыс. USD [5], что говорит о необходимости применения в отечественных разработках по измерительному гидроразрыву более доступных технических средств.
В конструкции скважинных зондов для измерительного гидроразрыва, разработанных в ИГД СО РАН и применяемых при экспериментальных исследованиях полей напряжений в рудничных условиях, используются уплотнитель-ные элементы зажимного типа [1]. После испытания ряда материалов выбран состав с полиуретановой основой - полиуретановый эластомер. Конструктивно уплотнительный элемент представляет собой толстостенный цилиндр, торце-
вые части которого выполнены более жесткими в сравнении со средней частью. Это препятствует выдавливанию уплотнительных элементов в зазор между корпусом зонда и стенками скважины, так как расширяясь при осевом сжатии, элементы в средней части увеличиваются в размерах быстрее.
В целях повышения надежности герметизации межпакерного интервала и исключения эффекта «обыгрывания» пакеров при выполнении измерительного гидроразрыва в ИГД СО РАН предложены и опробованы в лабораторных и рудничных экспериментах следующие технические решения:
- изменение формы полиуретанового пакера путем создания в его торцевой части полуворотниковой уплотнительной манжеты, обращенной в сторону межпакерной области;
- применение составных пакерных элементов в виде полиуретановых цилиндров с разделительными металлическими вставками между ними (конструкция представляется перспективной ввиду ее более высокой ремонтопригодности);
- компоновка зонда двумя парами пакерующих элементов с синхронным приведением их в рабочее состояние двумя однотипными плунжерными парами;
- армирование пакерующих элементов металлическими пружинами (обеспечивает возвращение пакера после снятия сжимающих усилий к первоначальной форме, необходимое для извлечения зонда из скважины).
Опыт проведения измерительных гидроразрывов в рудничных условиях [6] показал, что важным направлением совершенствования конструкции зонда является разработка технических решений, позволяющих облегчить монтаж зонда в скважине и обеспечить надежное управление его работой, особенно на значительных расстояниях от кровли выработки. В ИГД СО РАН предложено несколько вариантов исполнения системы управления зондом. Рассмотрим особенности этих конструктивных решений.
Одна из первоначальных конструкций зонда [7], включающая цилиндрический корпус с установленными на его концах уплотнительными элементами и механизм сжатия между ними, предусматривает наличие двух подводящих трубопроводов для выполнения измерительного гидроразрыва. По одному трубопроводу жидкость под давлением подается в канал, соединенный с рабочей камерой поршневой пары, сжимающей уплотнительные элементы (канал паке-ровки), по другому - в канал, соединенный с отверстием в корпусе для создания давления в межпакерном интервале.
С целью облегчения конструкции и упрощения монтажа зонда в скважине за счет уменьшения числа подводящих трубопроводов, предложена конструктивная схема (рисунок, а) [8]. В ней для обеспечения подачи рабочей жидкости от одного подводящего трубопровода в различные каналы зонда на его торцевой поверхности установлена рукоятка с эксцентриком, управление которой осуществляется при помощи натяжного троса. Однако, как показали испытания на макетах, поворот рукоятки управления в требуемые позиции при помощи натяжного троса при значительных расстояниях может оказаться проблематичным, что приведет к нарушению последовательности сообщения выполненных
в корпусе зонда каналов с напорной магистралью и затруднит процесс управления гидроразрывом. Данная конструкция зонда может применяться на расстояниях не более 5м от устья скважины.
а) б)
Варианты конструктивных схем управления зондом с одним подводящим трубопроводом:
1 - корпус зонда; 2 - гнездо для подвода рабочей жидкости; 3 - канал пакеровки;
4 - канал в межпакерную полость; 5 - рукоятка с эксцентриком; 6, 7, 9 - обратные
клапаны; 8 - трос; 10 - золотник
В конструктивной схеме, приведенной на рисунке, б, сообщение внутренних каналов зонда с одной подводящей напорной магистралью выполняется при помощи золотника с шейкой, установленного в корпусе зонда [9]. Перемещениями золотника управляют путем изменения давления жидкости от насоса, при этом натяжной трос используется только с целью сброса рабочей жидкости на слив после завершения гидроразрыва, что не требует большой точности. Данная конструктивная схема упрощает процесс управления зондом, повышая надежность его работы, особенно, при выполнении измерительного гидроразрыва на больших расстояниях от устья скважины.
В заключение отметим, что достаточно часто, особенно в неоднородных массивах, возникают ситуации, когда в месте установки зонда диаметр скважины превышает номинально допустимое значение или на ее стенках имеют место каверны и неровности. Как показывает практика, в таких случаях уплотни-тельные элементы при сжатии не входят в контакт со стенками скважины, вследствие чего теряют устойчивость, происходит их неравномерная деформация по длине (принимают форму «гармошки») и герметизация исследуемого интервала скважины не обеспечивается. Поэтому, одним из актуальных на-
правлений дальнейшего совершенствования конструкции скважинных зондов для выполнения измерительного гидроразрыва является разработка технических решений, которые позволят исключить потерю устойчивости уплотнительных элементов при сжатии и обеспечат надежную герметизацию исследуемого интервала в случаях увеличения диаметра скважины выше номинально допустимого значения.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117121140065-7.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв» / А. В. Леонтьев [и др.] // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2010. - № 1. - С. 104-110.
2. Сердюков С. В., Курленя М. В., Патутин А. В. К вопросу об измерении напряжений в породном массиве методом гидроразрыва // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2016. - № 6. - С. 6-14.
3. Ziaie Moayed R., Izadi E., Fazlavi M. In-situ stress measurements by hydraulic fracturing method at Gotvand Dam site, Iran Turkish // J. Eng. Env. Sci. - 2012. - Vol. 36. - P. 179-194.
4. Joong-HoSynn, ChanPark, Yong-BokJung, ChoonSunwooatc. Integrated 3-Dstress-determination by hydraulic fracturing in multiple inclined boreholes beneath an underground cavern // International Journal of Rock Mechanics & Mining Science. - 2015. - Vol. 75. - P. 44-65.
5. Шилова Т. В. Разработка способов и средств создания противофильтрационных экранов в породном массиве для герметизации дегазационных скважин : дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск : ИГД СО РАН, 2016. - 139 с.
6. Леонтьев А. В., Попов С. Н. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва // Горный журнал. - 2003. - № 3. - С. 37-43.
7. Устройство для гидроразрыва пород в скважине: авт. св. СССР 1737116, № 4835571/03 ; заявл. 06.06.90 ; опубл. 30.05.92, Бюл. № 20, 3 с.
8. Устройство для гидроразрыва пород в скважине: пат. 2320870 Рос. Федерация. № 2006141430/03 ; заявл. 23.11.2006 ; опубл. 27.03.2008, Бюл. № 9, 6 с.
9. Устройство для гидроразрыва пород в скважине: пат. 2433259 Рос. Федерация. № 2010116328/03 ; заявл. 23.04.2010 ; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31, 6 с.
© Е. В. Рубцова, 2018
