CC BY
72
УДК 622.02:531 + 622.83
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ МЕТОДА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА ПРИ КОНТРОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ШАХТНЫХ УСЛОВИЯХ
Аркадий Васильевич Леонтьев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
Изложены теоретические предпосылки метода измерительного гидроразрыва пород в скважине. Отмечены особенности применения метода при контроле напряжений в монолитном массиве горных пород, при наличии естественных трещин, а также в проницаемой среде.
Ключевые слова: массив горных пород, контроль напряжений, гидроразрыв пород в скважине.
FEATURES OF HYDRAULIC FRACTURING FOR STRESS MEASUREMENT AND CONTROL IN MINES
Arkady V. Leontiev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
The paper presents theoretical pre-conditions for hydraulic fracturing for stress measurement in holes. The author specifies features of the method application in solid rock mass, in rocks with natural cracks and in permeable medium.
Key words: rock mass, stress control, hydraulic fracturing.
Сведения о напряженном состоянии породного массива необходимы для принятия правильных решений при проектировании и строительстве подземных сооружений, а также при отработке месторождений полезных ископаемых. Среди способов экспериментального определения напряженного состояния породных массивов своей высокой универсальностью выделяется метод измерительного гидроразрыва пород в скважине [1,2]. Ее характеризуют два отличительных признака: размер исследуемого (в единичном опыте) объема горной породы и возможность применения в глубоких скважинах (на больших расстояниях от наблюдателя до исследуемого участка массива).
Техника гидроразрыва пород в скважине состоит в том, что участок скважины протяженностью в 4-5 диаметров перекрывается с помощью двухпакер-ного зонда и подвергается нагружению путем нагнетания в него жидкости вплоть до достижения критических растягивающих напряжений на стенке скважины, приводящих к разрыву пород. Данная схема широко применяется не только в технологических, но и в чисто исследовательских целях. Основу измерительного гидроразрыва (см. рис.) составляет то, что критические давления зависят не только от прочности пород, но и от уровня действующих в них
напряжений. При этом управление режимом нагнетания, а также возможность проведения повторных нагружений выбранного интервала позволяют выделить на диаграммах «давление-время» характерные значения этих параметров, которые затем интерпретируются в терминах напряжений, действующих в породном массиве. К таким значениям относятся: Рс - давление разрыва пород при первом нагружении; Рг - давление раскрытия трещины при повторных нагру-жениях; Р8 - давление запирания. Поскольку давление и напряжение имеют одну размерность, для оценки исходных напряжений нет необходимости знать фактические значения деформационных параметров пород, что выгодно отличает метод гидроразрыва от большинства механических способов измерения напряжений.
слабопроницаемых пород (Р - расход флюида)
Классическая схема определения напряжений по данным гидроразрыва строится на следующих основных предпосылках:
- массив представлен крепкими скальными породами, поведение которых в окрестности скважины описывается упругими соотношениями;
- ось скважины ориентирована в направлении одного из главных напряжений исходного поля;
- нагружение осуществляется с достаточно высокой скоростью, чтобы пренебречь фильтрационными потерями и поровым давлением;
- разрушение инициируется на стенке скважины по площадке с наибольшим растягивающим тангенциальным напряжением;
- давление запирания соответствует наименьшей компоненте главных напряжений, перпендикулярной плоскости разрыва.
В сделанных предположениях пересчет характерных давлений гидроразрыва в напряжения осуществляется, исходя из следующих соотношений:
Рс 3 ^шт ^шах + Рг 3 ^шт ^шах? Ръ ^шт • (!)
Здесь аШт, атах - наименьшая и наибольшая компоненты главных напряжений в плоскости, ортогональной оси скважины, соответственно; Т - прочность пород на отрыв.
Отсюда сразу получаются искомые оценки напряжений: ат^ = Р8 и атах = 3Р8 - Рг, а также значения прочности на отрыв Т = Рс - Рг. Давление запирания Р8 - давление, соответствующее моменту равновесного состояния открытой трещины разрыва, когда давление флюида уравновешивает воздействие нормальных к плоскости трещины напряжений в породном массиве.
Нетрудно видеть, что по измерениям в одной скважине не удается определить все компоненты исходного поля напряжений. Для первых работ в области гидроразрыва, где предметом рассмотрения являлись опыты в вертикальных нефтяных и геолого-разведочных скважинах, выход был достаточно простым -по давлениям гидроразрыва определяются наибольшее ¿н и наименьшее горизонтальные напряжения, а вертикальная составляющая ¿V оценивается по весу покрывающих пород уИ (у - плотность, осредненная по глубине). Развитие экспериментальных работ показало справедливость такого подхода за исключением случаев, когда вертикальная составляющая является наименьшим главным напряжением (т.е ¿V < ¿ь), что имеет место в тектонически напряженных массивах. Выяснилось также, что возможны ситуации, когда поверхность гидроразрыва первоначально параллельная образующей скважины, в процессе развития разворачивается в горизонтальную плоскость, а давление запирания дает оценку уже не а ¿V.
При проведении измерений в шахтных условиях, как правило, есть возможность использования разно ориентированных скважин и получать необходимые данные для определения всех компонент исходного поля напряжений в массиве.
В табл. показано, какие параметры напряженного состояния массива определяются по измерениям в различно ориентированных скважинах в зависимости от соотношения исходных напряжений.
Таблица
Ориентация скважины Соотношения компонент действующих напряжений
¿V < ¿ь < ¿и ¿И < ¿V < ¿ы ¿ь < ¿ы < ¿V
V * • И Я ¿ы или * ¿V ^¿ь - ¿ы) * • И Я ¿ы * • уИ я ¿ы
И ¿V ¿И ¿V* ¿ь ¿V* ¿ь
И * • ¿V ¿ы ¿V ¿ы или * ш. уИ я (3^ - ¿ы)* ¿V ¿ы или * Л. уИ я (35и - ¿V)*
Примечания:
*- помечена компонента напряжений, определяемая непосредственно по давлению запирания Р§ на диаграмме «давление-время»;
•- помечена компонента или комбинация напряжений, определяемая по давлению раскрытия Рг с использованием значений коэффициентов концентрации напряжений на стенке скважины по упругому решению.
Важным элементом технологии измерительного гидроразрыва является локация следа трещины на поверхности скважины. Тангенциальный угол продольного (вдоль образующей) следа трещины указывает направление действия наибольших сжимающих напряжений. Наличие двойного следа (комбинация продольной и поперечной трещины) свидетельствует о развороте первоначального продольного разрыва. Наклонный след говорит о том, что ориентация скважины не совпадает с направлением одного из главных напряжений. Сказанное выше справедливо лишь для монолитных, слабо трещиноватых пород. Наличие естественных трещин и поверхностей ослабления, которые могут иметь произвольную ориентацию и, соответственно, предопределять ориентацию разрыва, должно выявляться до проведения собственно гидроразрыва пород. Другими словами, применение любого из ниже перечисленных способов локации следа трещины предусматривает, что один и тот же участок скважины обследуется дважды - до и после проведения гидроразрыва.
Известны следующие способы локации следа трещины:
- оптический - визуальный контроль с помощью специальных устройств типа скважинных телевизоров; необводненные скважины;
- механический - получение отпечатка поверхности скважины на импрес-сионном пакере;
- геофизический - сканирование поверхности скважины акустическими приборами.
Накопленный практический опыт свидетельствует, что проведение таких измерений представляет самостоятельный и весьма трудоемкий этап в технике экспериментальных работ и не всегда обеспечивает уверенную локацию трещины. При проведении гидроразрыва в шахтных условиях, как правило, применяются два первых способа.
Классическая схема определения полного тензора исходных напряжений в массиве методом гидроразрыва в шахтных условиях состоит в следующем. На основании косвенных данных оценивается ориентация одного из главных напряжений в массиве (часто за главное можно принять вертикальное направление). В этом направлении проводится первая измерительная скважина. Вне зоны влияния выработки выполняется серия опытов, по которым определяется величина и ориентация двух других главных напряжений. В направлении одного из них проводится вторая измерительная скважина. Измерения в ней на достаточном удалении от борта выработки (1-1.5 поперечного размера) позволяют оценить последнее главное напряжение. Наличие третьей скважины, ортогональной первым двум, обеспечивает получение дополнительной информации, позволяющей контролировать согласованность и достоверность искомых оценок.
Оценка вертикальных напряжений по весу налегающих пород оправдана лишь вне зоны влияния больших очистных пространств или крупных геологических нарушений. В противном случае вертикальная составляющая может не являться главным напряжением и, как следствие, описанный выше порядок неприемлем. Не удается реализовать его и без надежных технических средств осмотра поверхности скважины.
Наличие в измерительном интервале естественных трещин приводит к тому, что именно с них начинается развитие трещины гидроразрыва. В дальнейшем трещина разрыва может сменить ориентацию и развиваться нормально минимальному сжимающему напряжению. В этом случае давление запирания дает надежную оценку минимальной компоненты, но давление разрыва (раскрытия) трещины может быть значительно ниже предсказываемых формулой (1). Для выбора ненарушенных участков скважины рекомендуется перед разрывом выполнять тест на фильтрацию, а также использовать данные кернового бурения.
Принципиально другой подход состоит в том, что специально отыскиваются участки скважины с единственной пересекающей скважину трещиной или поверхностью ослабления и фиксируется ее пространственная ориентация, определяемая вектором нормали n . Экспериментально (по схеме гидроразрыва) измеряется давление Pn, уравновешивающее нормальную составляющую горного давления на поверхности трещины. А далее выборка { Pnk; к = 1, K }, где K -общее число тестов на произвольно ориентированных трещинах, обрабатывается совместно, исходя из того, что при известной ориентации трещины теоретическое значение давления Pn является линейной функцией компонент исходного поля напряжений f (a(0j; nk). Рассматривая конкретные замеры как случайные
величины, нормально распределенные около «истинных» значений, исходные напряжения находят из условия минимума функции отклонений
к _ 2
ЁР - fК;пк)] —min (2)
к=1 'J
Интерпретация данных гидроразрыва в проницаемых, пористых средах по формулам (1) дает завышенную оценку максимальных напряжений. Для учета фильтрационных потерь и порового давления предложены соотношения:
1 - 2v
_1 -v
I -?
1 + ß-a-
Кт in - Кт ax + T -a ,-P0
P =-^—, (3)
c 1 - 2v ' ( )
1 -V
р = Ошт + Р0,
где аш1п,атах - эффективные главные напряжения, связанные с суммарными напряжениями соотношениями с[ = ^ - /Р0; Р0 - поровое давление; Т - прочность на растяжение; V - коэффициент Пуассона; а - константа Биота, связанная
с суммарной и матричной сжимаемостью среды Сь и Сг соотношением а = 1 - О, / Сг; Р8 - мгновенное давление запирания.
Предполагается, что операционная жидкость и поровый флюид имеют одинаковую вязкость. Величина мгновенного давления запирания определяется следующим образом: к участку кривой «давление-время», описывающему ста-
дию быстрого спада давления после прекращения подачи жидкости в момент запирания соответствует точке, в которой кривая давления начинает значимо отклоняться от касательной.
Использование соотношений (3) предполагает, что входящие в него механические константы среды а, ß, v и T, а также поровое давление P0 известны.
Если уровень действующих напряжений достаточно высок, концентрация сжимающих напряжений на контуре скважины может превысить предел упругости. Наличие пластических деформаций приводит к более низким значениям критических давлений, чем это следует из линейной теории упругости. Это обстоятельство является существенным при измерениях в слабых горных породах, грунтах, солях. Здесь возможны различные подходы: корректирование коэффициентов концентрации, входящих в соотношения (1), анализ кривой «давление-время» на качественном уровне (например, в солях при неравнокомпо-нентном поле напряжений отмечается выраженный максимум давления, тогда как при равномерном всестороннем сжатии наблюдается пологий рост и спад давления после достижения Pc) и др.
Таким образом, интерпретация данных гидроразрыва при контроле напряжений в массиве должна производиться с учетом фактического состояния породной среды, что предполагает, в свою очередь, предварительное и окончательное обследование измерительных скважин с помощью специальных устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Y. Mizuta, S. Kikuchi, K. Tokunaga. Studies on Rydraulic Fracturing Stress Measurement Assisted by Water Jet Borehole Slotting. // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. - 199З. -Vol. З0, - No. 7. - pp. 981-984.
2. G. Klee, A. Bunger, G. Meyer, F. Rummel, B. Shen. In Situ Stresses in Borehole-1/South Australia Derived from Breakouts, Cjre Discing and Hydraulic Fracturing to 2 km Depth. // Rock Mech. Rock Eng. (2011). - V 44, No. 5, pp. 5З1-540.
© А. В. Леонтьев, 2015
