CC BY
12
УДК 622.02:531
О МЕТОДАХ КОСВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ДАВЛЕНИЯ ЗАПИРАНИЯ ТРЕЩИНЫ ПРИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ГИДРОРАЗРЫВЕ
Екатерина Владимировна Рубцова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
Александр Александрович Скулкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: chuptt@yandex.ru.
В статье описаны подходы к определению давления запирания по экспериментальным данным, регистрируемым в процессе гидроразрыва. Приведен их сравнительный анализ по данным натурного эксперимента, а также результатам лабораторных тестов гидроразрыва в модельных образцах при их неравнокомпонентном нагружении.
Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, скважина, трещина, компоненты напряжений, давление запирания, стенд.
INDIRECT METHODS TO DETERMINE SHUT-IN PRESSURE DURING HYDRAULIC FRACTURING
Ekaterina V. Rubtsova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
Alexander A. Skulkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-09-30, e-mail: chuptt@yandex.ru
The paper describes the approaches to determination of shut-in pressure based on the experimental data recorded in the process of hydraulic fracturing. The comparative analysis of the full-scale experiment and lab tests on fracking of model specimens subjected to nonequicomponent loading is presented.
Key words: hydraulic fracturing for stress measurements, hole, fracture, stresses, shut-in pressure, test bench.
Важным элементом методики измерительного гидроразрыва является выбор способа интерпретации экспериментальных данных гидроразрыва. Наибольшее влияние на достоверность оценки действующих в массиве напряжений оказывает точность определения давления запирания, т.е. давления, соответствующего моменту равновесного состояния открытой трещины, при котором давление флюида уравновешивает воздействие нормальных к плоскости тре-
щины напряжений в породном массиве [1]. В классической схеме расчетное значение минимальной компоненты главных напряжений принимается равным давлению запирания и поэтому полностью зависит от точности его определения. При расчете максимальной компоненты главных напряжений величина давления запирания умножается на коэффициент три, и, соответственно, также будет утраиваться погрешность его определения. Таким образом, экспериментальная проверка и сравнительный анализ методов определения величины давления запирания являются весьма актуальными в целях повышения достоверности методики измерительного гидроразрыва.
Величина давления запирания определяется по кривой спада давления после образования, или повторного раскрытия, трещины гидроразрыва и прекращения подачи флюида в межпакерную зону (участок запирания трещины). Анализ динамики изменения давления на экспериментальных диаграммах «давление - время», полученных при выполнении тестов гидроразрыва как в лабораторных, так и в шахтных условиях (рис. 1), показывает, что кривая спада давления на участке запирания имеет характер, близкий к экспоненциальному. Задача заключается в выборе на участках запирания точки, наиболее точно соответствующей моменту равновесного состояния открытой трещины перед ее «схлопыванием».
7.0 6,5 6,0 5,3 5,0 Я 4,5
I
И 3,5 = 3,0 5 2,5' $ 2.0
5 1Л 1,0 0,5 0,0
| I I I|
юо,о гоо,о зоо.о от,о т.о лю,в то то
Время в сек.'ОД
Рис. 1. Диаграмма «давление-время» (экспериментальная скв. № 322, рудник СКРУ-3 ПАО «Уралкалий»)
Аналитический обзор известных подходов к определению давления запирания по экспериментальным данным, регистрируемым в процессе гидроразрыва, показал, что известные методы основаны на теоретических моделях, ни одна из которых не является строго разработанной или проверенной [2]. Для экспериментальной проверки и сравнительного анализа нами выбраны семь методов:
I) - «метод точки перегиба» [3-4], заключается в проведении касательной к кривой спада давления на диаграмме «давление-время» сразу после прекра-
щения подачи флюида и выборе значения давления запирания в точке, где кривая отклоняется от касательной;
(следующие четыре метода (II - V) аналогичны «методу точки перегиба», отличия заключаются в виде диаграмм, на которых выполняется построение касательной)
II) - используется диаграмма «Р относительно А?», где Р - давление, А? - интервал времени с момента начала спада кривой [4-5];
III) - используется диаграмма «log Р относительно А?» [5-6];
IV) - используется диаграмма «Р относительно log (?+ А?)/ А?», где ? - время нагнетания флюида [6-7];
V) - используется диаграмма «йР/й относительно Р» [2];
VI) - метод, предложенный в ИГТМ АН УССР [7], при котором величина давления запирания определяется как величина стабилизировавшего давления на участке запирания;
VII) - «метод биссектрисы» [8], заключается в проведении одной касательной к начальному участку кривой спада, второй касательной к участку стабилизации давления и построению биссектрисы угла пересечения двух касательных, величина давления запирания определяется в точке пересечения биссектрисы с кривой спада давления.
Анализ влияния аналитического метода на величину расчетного значения давления запирания выполнялся при проведении экспериментальных тестов гидроразрыва в шести экспериментальных скважинах на руднике СКРУ-3 ПАО «Уралкалий».
В табл. 1 приведены значения величины давления запирания (квадратичное усреднение по трем нагружениям в каждой точке измерения), рассчитанные по экспериментальным данным с использованием описанных выше методов.
Таблица 1
Расчетные значения давления запирания, полученные методами I - VII
Номер скважины Давление запирания, МПа
Метод расчета
I II III IV V VI VII
Скважина № 322 3,42 3,29 3,41 3,60 2,99 2,40 3,08
Скважина № 421 14,03 13,57 13,82 13,87 13,33 11,14 13,50
Скважина № 422 14,53 14,09 14,31 14,70 14,22 11,56 14,12
Скважина № 423 13,97 13,30 14,03 14,10 13,33 11,28 13,53
Скважина № 431 14,64 14,64 14,64 14,70 14,33 12,87 14,44
Скважина № 432 13,50 12,41 12,30 11,81 12,55 9,79 12,50
Анализ полученных данных показывает, что метод определения величины давления запирания оказывает существенное влияние на полученные результаты экспериментов.
Для установления наиболее достоверного метода оценки величины давления запирания выполнены лабораторные тесты гидроразрыва в образцах из по-лиметилметакрилата размерами 200*200*200 мм при их независимом трехосном нагружении на стенде [9]. При выполнении тестов гидроразрыва использована новая конструкция макета скважинного зонда (рис. 2), который размещался в скважине диаметром 12 мм с тупиковым забоем.
Рис. 2. Макет скважинного зонда
В выполненных тестах гидроразрыва скважина ориентировалась по вертикали. В первом образце нагружение по вертикальной оси составило 4,5 тс, по горизонтальным осям - 4,5 тс и 5,5 тс. Заданные компоненты напряжений в образце составили 1,25 МПа, 1,25 МПа и 1,52 МПа, соответственно. Во втором образце предварительно была создана зародышевая трещина по образующей скважины. В направлении трещины образец нагружался усилием в 5,5 тс, по двум остальным осям усилиями в 3,0 тс. Соответствующие заданные компоненты напряжений в образце достигали 1,52 и два по 0,76 МПа. В табл. 2 приведены результаты обработки данных, полученных в экспериментах на стенде.
Как можно видеть, наиболее точные результаты (соответствие расчетного значения величины давления запирания заданной минимальной компоненте напряжений в образце) показывают методы, основанные на использовании диаграмм «Р относительно log At» (II) и «dP/dt относительно P» (V). Погрешность определения давления запирания в этих случаях не превышает 5 %.
Полученные результаты следует рассматривать как предварительные ввиду ограниченного числа опытов на лабораторном стенде. Для продолжения исследований в этом направлении планируется дооснащение стенда высоконапорными трубопроводами (до 70 МПа), что позволит полностью реализовать возможности домкратов и развивать усилие воздействия на грани образцов до 10 тс.
Таблица 2
Расчетная величина давления запирания
Вид образца Заданная минимальная компонента напряжений в образце, МПа Величина давления запирания, рассчитанная методами I - VII, МПа
I II III IV V VI VII
Скважина без инициирующей щели 1,24 4,67 1,29 1,33 1,54 1,2 0,69 1,16
Скважина с инициирующей щелью 0,76 1,37 0,77 0,89 0,86 0,8 0,42 0,65
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Леонтьев, А.В. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва [Текст] / А.В. Леонтьев, С.Н. Попов // Горный журнал. - 2003. - № 3. - С. 37 - 43.
2. Aggson, J.R. Analysis of Hydraulic Fracturing Pressure Histories: A Comparison of Five Methods Used to Identify Shut-in Pressure / J.R. Aggson, K. Kim // Int. J. Rock Mech. Min. sci. -1987. - Vol. 24. - № 1. - PP. 75 - 80.
3. Gronseth J.M. and Kry P.R. Instantaneous shut-in pressure snd its relationship to the minimum in situ stress. In Proc. Workshop on Hidraulic Fracturing Stress Measurements, Open-File Rept 82-1075. U.S. Geological Survey, Washington, DC (1982).
4. Doe T.W. Determination of the state of stress at the Stripa Mine, Sweden. In Proc. Workshop on Hydraulic Fracturig Stress Measurements. Open-File Rept 82-1075, pp. 394-403. U.S. Geological Survey, Washington, DC (1982).
5. Aamodt A. And Kuriyagawa M. Measurement of instantan-eous in pressure in crystalline rock. In Proc. Workshop on Hydraulic Fracturig Stress Measurements. Open-File Rept 82-1075, pp. 394-403. U.S. Geological Survey, Washington, DC (1982).
6. McLeman J. D. and Roegiers J.C. Do Instantaneous shut-in pressure accurately represent the minimum principal stress. In Proc. Workshop on Hydraulic Fracturig Stress Measurements. Open-File Rept 82-1075, pp. 181-208. U.S. Geological Survey, Washington, DC (1982).
7. Кулинич, В.С. Теоретические и экспериментальные аспекты измерения напряжений в массиве горных пород гидравлическим разрывом [Текст] / В.С. Кулинич //Сб. научных трудов «Исследования напряжений в горных породах». - Новосибирск: Изд. ИГД АН СССР. - 1985. - С. 67-74.
8. Леонтьев, А.В. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв» [Текст] / А.В. Леонтьев, Е.В. Рубцова, Ю.М. Леконцев, В.Г. Качальский // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2010. - № 1. - С. 104-110.
9. Рубцова Е. В. Стенд трехосного независимого нагружения для физического моделирования процесса измерительного гидроразрыва // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 211-216.
© Е. В. Рубцова, А. А. Скулкин, 2016
