Совершенствование технологии направленного гидроразрыва применительно к измерению напряженного состояния массива горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 539. 375

В.А. Павлов, С.В. Сердюков ИГД СО РАН, Новосибирск НГУ, Новосибирск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИЗМЕРЕНИЮ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Предложена технология измерения напряженного состояния основанная на комплексном использовании гидроразрыва и распорного нагружения. Выполнено численное моделирование методом интегральных сингулярных уравнений. Проведены стендовые испытания устройства и определены его технические характеристики.

V.A. Pavlov, S.V. Serdyukov

Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk,

Krasny Prospekt 54, 630091, Russian Federation Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia

THE DEVELOPMENT OF DIRECTIONAL HYDRAULIC FRACTURING TECHNIQUE FOR IN-SITU STRESS STATE ROCK MASS MEASURING

The stress state estimation method of deep permeable rock is proposed which is based on the complex hydraulic fracturing use and flat jack technique. Numerical modeling of tests by singular integral equations is carried out. The stand tests of facility are made and its technical characteristics are determined.

Знания о напряженно деформированном состоянии горных массивов, протекающих в них геомеханических и физических процессах, имеют фундаментальную значимость для решения широкого круга проблем, связанных с созданием безопасных технологий отработки месторождений, рациональным извлечением полезных ископаемых. На данном этапе добыча полезных ископаемых при подземных, скважинных и открытых работах ведется на значительных глубинах. Из существующих геомеханических методов оценки напряженного состояния, единственным с требуемой глубинностью является измерительный гидроразрыв. Однако использование данного метода ограничивается наличием естественных трещин или высокой проницаемостью массива. Существует модификация гидроразрыва - «сухой» разрыв (sleeve fracturing), в которой разделяют две методики: одиночной трещины (single fracture) и двойной трещины (double fracture). Сравнение технических особенностей классического измерительного гидроразрыва, метода полной разгрузки и «сухого» разрыва приведено в табл. 1. Однако и «сухой» разрыв имеет ограничения, основное из которых, не применимость в

условиях неравномерного поля напряжений, то есть при а = W < 1 . Для

/ шах

метода одиночной трещины (single fracture) это связанно с невозможностью создания протяженной трещины в любом требуемом направлении. В

результате переориентации трещины по мере удаления от скважины под действием внешнего поля напряжений, которое существует в массиве пород.

Таблица 1

Метод Особенность Классический метод измерительного гидроразрыва Метод полной разгрузки с наклейкой тензодатчиков «Сухой» разрыв

Возможность измерения механических свойств горных пород (Е,у) Нет Нет Есть

Необходимость дополнительных исследований кернового материала Нет Есть Нет

Применимость в проницаемых горных породах Для пород с проницаемостью не более 50 мДарси Для любых типов пород Для любых типов пород

Погрешность измеряемых напряжений ±10-20 % ± 20 % ± 2 % или менее, при наличии повторных измерений

Время необходимое для одного измерения 4-5 часов Более 4 часов Менее чем У часа

Возможность повторных измерений (мониторинг) Нет Нет Есть

Таким образом, актуальна задача создания технологии мониторинга напряженного состояния массива трещиноватых, высокопроницаемых горных пород залегающих на больших глубинах. Метод определения напряжений одиночной трещины (single fracture) основан на использовании только устройства направленного разрыва (flat jack). Этот метод предлагает создание трех систем прямолинейных протяженных трещин с помощью устройства направленного разрыва. После чего, когда трещина уже сформирована, то давление необходимое для ее поддержания в раскрытом состоянии считают равным напряжению в массиве действующему ортогонально трещине. Однако, как уже было отмечено выше создание таких систем трещин не

возможно в условиях ос =а"""А. < 1 и фактически данная методика не

/ шах

применима.

Разработанный нами метод оценки напряженного состояния основан на комплексном использовании гидроразрыва и направленного разрыва. На предварительном этапе в исследуемом интервале скважины стандартным устройством гидроразрыва формируется система протяженных ортогональных трещин. Создание протяженных трещин возможно благодаря использованию высокоинтенсивного нагружения рабочей жидкостью изолированного интервала скважины. Для чего предлагается использовать электронасосы высокой производительности или пневмогидроаккумуляторы.

Для использования этой методики в глубоких скважинах (более 500 метров), устройства помещаются непосредственно в скважину рядом с исследуемым интервалом, что позволяет увеличить гидравлическую жесткость системы. На следующем этапе технологии в исследуемый интервал скважины помещается устройство распорного нагружения. Вращением устройства и приложением одноосной, направленной нагрузки фиксируются давления раскрытия созданных ортогональных систем трещин, из которых по формулам определяются напряжения в массиве пород. Также данное устройство можно использовать для определения ориентации естественных или искусственно созданных систем трещин.

Используя метод интегральных сингулярных уравнений, выполнено численное моделирование предлагаемой технологии. Результаты моделирования представлены на рис. 1. На рис. 1а показана зависимость для горизонтальной скважины давления необходимого для раскрытия трещины на определенную величину от угла поворота устройства относительно вертикального положения, для случая двух ортогональных систем трещин идущих в направлениях главных напряжений (где и - раскрытие трещины на контуре скважины, а - отношение минимального и максимального напряжений в массиве). На рис. 1б, приведены результаты моделирования для случая, когда сформирована только одна система трещин - в направлении максимального сжимающего напряжения. Из рисунка видно, что устройство распорного нагружения позволяет четко определить ориентацию трещин и может быть использовано для оценки напряженного состояния по описанной выше схеме.

а б

Рис. 1. Диаграммы «нагрузка - угол поворота устройства»

Так как необходимо получить максимальную эффективность устройства распорного нагружения, то оно имеет сложное конструкторское строение по сравнению со стандартным устройством направленного разрыва (flat jack). В результате сложно определить отношение между давлением жидкости в устройстве и нагрузкой передаваемой от него на стенку скважины. Для

получения данной корреляции выполнен цикл стендовых экспериментов. Схема стенда представлена на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальный стенд для испытания устройства распорного нагружения (1 - пресс-расходомер, 2- гидравлический насос, 3 - манометр (датчики давления), 4 - шланг, 5 - устройство распорного нагружения в металлическом кожухе, 6 - гидравлический пресс, 7 - система визуализации контролируемых параметров, 8 - система управления гидравлическим

прессом)

Эксперименты состояли в следующем, устройство распорного нагружения помещали в стенд и создавали внешнюю одноосную нагрузку. С помощью насоса, и пресс-расходомера заполняли устройство рабочей жидкостью и повышали в нем давление. В результате устройство создавало направленную одноосную нагрузку, прикладываемую к стенке скважины. Определялось давление в устройстве необходимое для преодоления заданной внешней нагрузки. После устройство поворачивали на заданный угол и определяли давление необходимое для преодоления нагрузки в этом положении. Результаты стендовых испытаний приведены на рис. 3. Отображена зависимость давления в устройстве необходимого для преодоления заданной внешней одноосной нагрузки, то есть для раскрытия трещины на контуре скважины.

внешняя нагрузка,тонн

Рис. 3. Результаты стендовых испытаний устройства распорного нагружения

(Цикл - 1-30°, цикл - 2-30°, цикл - 3 - горизонтально, цикл - 4-15°)

В различных циклах обозначенный угол означает отклонение распорного устройства от горизонтального положения, при горизонтальном расположении устройство создает вертикально направленную одноосную нагрузку.

Выводы

Определен коэффициент передачи нагрузки от устройства распорного нагружения на стенки скважины. Предлагаемое устройство за счет оригинального конструкторского решения более эффективно передает нагрузку на стенку скважины, чем устройства направленного разрыва (flat jack) используемые в настоящее время при измерении напряженного состояния. Создана математическая модель и выполнено численное моделирование с привлечением линейной механики трещин. Предложено использовать данный метод также для определения ориентации естественных и техногенных систем трещин в открытом стволе скважины.

© В.А. Павлов, С.В. Сердюков, 2010