CC BY
13
УДК 622.234.573+622.817.49
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-180-187
СПОСОБ ШАХТНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МОСТОВ
Сергей Владимирович Сердюков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, зав. лабораторией физических методов воздействия на массив горных пород, тел. (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
Антон Витальевич Азаров
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск,
Красный пр., 54, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)335-96-42, e-mail: antonazv@mail.ru
Андрей Владимирович Патутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)335-96-42, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
В работе рассматривается способ шахтного гидравлического разрыва необсаженных скважин, характеризующихся значительной изменчивостью поперечного сечения. Герметизация заданного интервала выполняется несъемными мостами из полимерного материала. Для этого предложено использовать две трубные колонны, одна из которых вложена в другую. Внешняя колонна, оборудованная центраторами и кольцевой фрезой, обеспечивает очистку и промывку скважины, доставку технических средств гидроразрыва в заданный интервал. Внутренняя колонна содержит пять раздельных гидравлических каналов, а также многоточечный инжектор, что позволяет независимо подавать необходимые химические компоненты для формирования полимерных мостов и рабочей жидкости для разрыва. После формирования трещины мосты разбуриваются кольцевой фрезой. Это обеспечивает связь дренажной системы и забойного интервала скважины с ее устьем. С помощью математического моделированияисследовано поле напряжений в окрестности изолированного интервала скважины при подаче в него жидкости под давлением. Полученные результаты показывают возможность создания поперечной трещины разработанным способом.
Ключевые слова: угольный пласт, множественный интервальный гидроразрыв, интервал разрыва, герметизация, несъемный мост, полимерные материалы, математическое моделирование.
A METHOD OF UNDERGROUND HYDRAULIC FRACTURING BASED ON POLYMER BRIDGES
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Laboratory on the Physical Methods of Impact on the Rock Mass, phone: (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
Anton V. Azarov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D. Student, Junior Researcher, phone: (383)335-96-42, e-mail: antonazv@mail.ru
Andrey V. Patutin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)335-96-42, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
The paper studies a method of hydraulic fracturing performed in uncased boreholes characterized by a considerable variability of cross section. Sealing of the determined interval is performed by fixed polymer bridges. Therefore, it is proposed to employ two pipe strings put one into another. The external string is equipped with centralizers and a ring cutter. It provides borehole cleaning out and delivers tool into the fracturing interval. The internal string contains five separated hydraulic channels and a multipoint injector. Accordingly, it is possible to supply required chemical components to form polymer bridges and working agent for the fracture independently. After the crack is formed, the bridges are drilled by the ring cutter. It provides the connection of the drainage system and bottom interval to the borehole mouth. With the help of mathematical modeling a stress field is studied in the vicinity of the borehole interval, when the fluid under pressure is supplied into it. The obtained results show the possibility of the transverse crack formation by the developed method.
Key words: coal seam, multiple hydraulic fracturing, fracturing interval, sealing, fixed bridge, polymer materials, mathematical modeling.
Введение
Развитие технологий направленного бурения из подземных выработок привело к значительному росту количества протяженных скважин длиной от 400 до 1 000 метров, используемых для дегазации угольного массива [1]. Применение подобных скважин при продолжительности предварительной дегазации выемочного участка около одного года обеспечивает степень дегазации до 70 % и безопасную выемку угля современным высокопроизводительным очистным оборудованием [2]. Однако, несмотря на достигнутые успехи, опыт эксплуатации современных дегазационных систем показывает проблемы, связанные с извлечением метана угольных пластов. К ним относится постепенное снижение концентрации извлекаемого метана за счет нарушения исходного состояния массива вследствие увеличения плотности сетки дегазационных скважин и их взаимного влияния друг на друга. В этом случае применение метода гидравлического разрыва пласта (ГРП) в шахтных условиях позволит сохранить общий дебит метана при снижении объемов бурения близкорасположенных скважин [3-4]. Проведение дополнительных скважинных исследований позволит эффективно выбрать интервалы для создания трещин, в том числе, за счет оценки деформационных характеристик углепородного массива [5-7].
Гидравлический разрыв пласта (ГРП) представляет собой процесс формирования и распространения трещины в горной породе за счет давления жидкости, нагнетаемой в изолированный интервал [8-9]. Одна из основных проблем его применения - это герметизации интервала разрыва в скважине, размеры и форма поперечного сечения которой значительно меняются вдоль оси. Стандартные надувные пакеры при этом малопригодны, поскольку их расширяемые армированные кордом оболочки не способны полностью перекрыть скважину, в которой максимальный и минимальный размеры поперечного сечения могут
отличаться до 3 раз [10]. Увеличение длины надувных пакеров до 3-5 метров осложняет проведение работ в шахтных условиях и не гарантируют надежную герметизацию интервала разрыва, давление жидкости в котором может достигать нескольких сотен атмосфер.
Технология интервального гидроразрыва
Единственным способом проведения интервальных гидроразрывов в такой ситуации, по нашему мнению, является герметизация скважины несъемными мостами из твердеющего материала. Отчасти это возврат к способам гидроразрыва, применявшимся в начальный период его истории в нефтедобыче, но на основе современных технических решений и полимеров.
Реализация этого подхода предполагает решение следующих технических вопросов:
- доставка скважинного оборудования и полимерных материалов в заданный интервал скважины, склонной к обрушению;
- герметизация интервала разрыва в скважине с переменным сечением;
- нагнетание в интервал разрыва под давлением рабочих жидкостей (суспензий), содержащих проппант;
- разбуривание полимерных мостов по завершению работ для восстановления сообщения интервала разрыва и призабойного участка скважины с ее устьем.
Предлагаемый вниманию способ герметизации несъемными мостами включает предварительную изоляцию интервалов установки мостов с помощью опалубки из фенольных смол, быстро вспенивающихся при смешивании с катализатором. Сами несъемные мосты создаются за счет полимеризации двухком-понентного состава на основе жестких полиуретанов или органоминеральных смол с высокой прочностью сцепления с породой.
Разработанное техническое решение скважинного комплекса интенсификации дегазации угольного пласта методом интервального гидроразрыва по предлагаемому способу предусматривает применение двух несвязанных между собой трубных колонн, одна из которых вложена в другую (рис. 1). Внешняя колонна, оборудованная центраторами и кольцевой фрезой, обеспечивает очистку и промывку скважины, доставку технических средств гидроразрыва в заданный интервал.
Внутренняя колонна с пятью раздельными гидравлическими каналами может иметь кассетную конструкцию (все каналы составлены из труб) или конструкцию смешанного типа (канал подачи жидкости разрыва составлен из труб, остальные каналы - сплошные гибкие рукава высокого давления). Внутренняя колонна может свободно вращаться и перемещаться вдоль внешней колонны. На конце внутренней колоны установлен многоточечный инжектор, обеспечивающий подачу материалов опалубки и полимерных мостов в соответствующие интервалы скважины, а также нагнетание под давлением рабочей жидкости (суспензии с проппантом) в интервал разрыва.
Технология (последовательность операций) выполнения множественных интервальных гидроразрывов в угольном пласте, основанная на разработанном техническом решении, показана на рис. 1.
Рис. 1. Последовательность операций по герметизации интервала разрыва полимерными мостами, гидроразрыва и подключения дренажной трещины
к дегазационной скважине:
1 - внешняя трубная колонна; 2 - внутренняя 5-канальная колонна; 3 - кольцевая фреза; 4 - многоточечный инжектор; 5 - отверстия для подачи двухкомпонентных полимерных составов; 6 - отверстия для нагнетания в интервал разрыва рабочей жидкости; 7 - угольный пласт; 8 - дегазационная скважина; 9 - опалубка из вспенивающегося материала; 10 - полимерный мост; 11 - дренажная трещина гидроразрыва
Сначала проводят монтаж внешней колонны 1 до самого удаленного от устья скважины интервала разрыва (рис. 1, а). При необходимости вращением колонны 1 с помощью кольцевой фрезы 3 разрушают обломочный материал, выполняют промывку скважины.Затем осуществляют монтаж внутренней колонны 2 с инжектором 4, который выдвигают из внешней колонны 1 в заданный интервал разрыва (рис. 1, б).
Герметизацию интервала разрыва выполняют в два этапа. На первом этапе по двум выделенным каналам колонны 2 в центральные и крайние группы отверстий 5 нагнетают две компоненты фенольного состава, которые смешиваются в интервале разрыва и образуют вспененную опалубку 9, изолирующую интервалы установки несъемных мостов (рис. 1, в). Время начала реакции компонент фенольного состава не превышает 4 с, длительность реакции - менее 4 мин, фактор вспенивания (увеличение объема) - 15-30. Прочность на сжатие такой опалубки при 10 % деформации составляет приблизительно 0,3 МПа.
На втором этапе в интервалы, изолированные опалубкой, по двум другим выделенным каналам колонны 2 через промежуточные группы отверстий 5 нагнетают две компоненты органоминеральной или полиуреатановой смол, например, тех, которые применяют для упрочнения горных пород. Длительность реакции компонент таких смол при 25 °С составляет 3-20 мин. В результате химической реакции в скважине образуются полимерные мосты 10 (рис. 1, г), прочность сцепления которых с породой составляет 4-6 МПа, модуль упруго-
о Л
сти - около 2,5-10° Н/м2. Указанные свойства мостов при длине каждого из них 300 мм обеспечивают в скважине диаметром 98 мм герметизацию интервала разрыва при давлении рабочей жидкости до 49 МПа.
По завершении операций герметизации в интервал между мостами по выделенному каналу увеличенного проходного сечения сначала закачивают кислотный состав для разрушения центральной опалубки 9, а затем - рабочую жидкость (суспензию) гидроразрыва под давлением, достаточным для формирования в угольном пласте требуемой трещины 11 (рис. 1, д).
После выполнения вышеуказанных операций инжектор 4 прочно сцеплен полимерами 9, 10 со стенками скважины 8 и угольным пластом 7. Для освобождения инжектора колонну 1 подают вглубь скважины с вращением. При этом кольцевая фреза 3 разбуривает опалубку и мосты, восстанавливая сообщение устья скважины с забойным участком и дренажной трещиной 11.
Далее компоновку колонн 1, 2 сдвигают в сторону устья скважины в следующий интервал разрыва и цикл операций повторяют. Таким образом, в скважине создают множество дренажных трещин.
Результаты математического моделирования
Дополнительно проводилась оценка напряженного состояния в окрестности герметизированного интервала скважины, в который подавалась жидкость под давлением (см. рис. 2).Скважина представлялась в виде цилиндрического отверстия радиусом Я в однородной изотропной среде со следующими параметрами: модуль Юнга ^ = 3,6 ГПа, коэффициент Пуассона у1 = 0,17, плотность
-5
р1 = 1 600 кг/м . Параметры полимерных мостов длиной Н, установленных
-5
в скважину, принимались следующими: Е2 = 0,25 ГПа, у2 = 0,2, р2 = 1 300 кг/м .
Мосты в скважине удалены друг от друга на расстояние И.
На интервал скважины, расположенный между полимерными мостами, прикладывалось давление Р, которое соответствовало давлению жидкостираз-рыва. Такое же давление прикладывалось на стенки полимерных мостов со стороны герметизированного интервала. На поверхностях контакта скважины и мостов задавалось условие сцепления без проскальзывания. Для расчета напряжений использовалась система уравнений линейной теории упругости, которая численно решалась методом конечных элементов.
2R Н h н ( 1 Iй
E2,v2,p2 Р E2,v2,p2 \
Рис. 2. Постановка задачи для расчета действующих напряжений
Расчеты напряжений проводились для мостов длиной Н = 0,4 м с расстоянием И = 0,01 м между ними и радиусом скважины Я = 0,05 м. В численных экспериментах рассчитывались осевые а22 и осесимметричные а0е напряжения на стенке скважины, на расстоянии 5 мм и на расстоянии 10 мм от стенки. Результаты численных экспериментов приведены на рис. 3. На рис. 3, а изображены осевые напряжения, нормированные на давление жидкости.
4
„ 2,5
0,5 О -0,5
/ У
V
/V ■ -Л 2
3
-0,5 -0,3 -0,1 _/R 0,1 0,3 0,5 -0,5 -0,3 -0,1 _/R 0,1 0,3 С
а) б)
Рис. 3. Зависимость осевых azz (а) и осесимметричных а0е (б) напряжений, нормированных на давление жидкости P:
1 - на стенке скважины; 2 - на расстоянии 5 мм от стенки скважины; 3 - на расстоянии 10 мм от стенки скважины
В качестве нуля по осевой координате 2 взята середина герметизированного интервала. Как видно из графика, на стенке скважины(кривая 1) и на расстоянии 5 мм от нее (кривая 2), осевые напряжения в середине герметизированного интервала равны давлению жидкости. При тех же условиях осесимметричные напряжения в середине интервала достигают максимум 0,14 давления жидкости на расстоянии 5 мм от стенки скважины (см рис. 3, б).
Заключение
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что в герметизированном интервале осевые напряжения превышают по своим значениям осесимметричные. Это в свою очередь приводит к созданию условий для возникновения поперечного гидроразрыва, что подтверждается раннее полученными результатами [11]. При этом возникающие напряжения экспоненциально убывают при удалении от стенки скважины, как это показывают численные расчеты. Также стоит отметить пики напряжений на краях герметизированного интервала, которые связанны с приложенной нагрузкой. Возникновение данных пиков может привести к начальному разрушению горной породы на краях герметизированного интервала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект RFMEFI60417X0172).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Frank H., Ting R., Naj A. Evolution and application of in-seam drilling for gas drainage //International Journal of Mining Science and Technology. - 2013. - Vol. 23. - №. 4. - P. 543-553.
2. Lu S. et al. Application of in-seam directional drilling technology for gas drainage with benefits to gas outburst control and greenhouse gas reductions in Daning coal mine, China //Natural hazards. - 2014. - Vol. 73. - №. 3. - P. 1419-1437.
3. Jeffrey R. G. and Boucher C. Sand propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at dartbrook coal mine // Coal Operators' Conference, Wollongong, Australia, 2004. - P. 169-179.
4. Cheng L. et al. Research on Hydraulic Technology for Seam Permeability Enhancement in Underground Coal Mines in China // Energies. - 2018. - Vol. 11. - №. 2. - P. 427.
5. Патутин А.В., Тимонин В.В., Кондратенко А.С., Рыбалкин Л.А. Комплексные исследования угольных пластов в глубоких скважинах // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - Т. 2. - № 1. - С. 23-26.
6. Сердюков С.В., Дегтярева Н.В., Патутин А.В., Рыбалкин Л.А. Скважинный прецизионный дилатометр с интегрированной системой транспортирования вдоль ствола скважины // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2015. - № 4. - С. 198203.
7. Курленя М.В., Сердюков С.В., Патутин А.В. Определение деформационных свойств горных пород по данным прессиометрических испытаний в интервале гидроразрыва скважины // ФТПРПИ. - 2015. - № 4. - С. 96-102.
8. Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Применение метода направленного гидроразрыва на шахте «Березовская» // ФТПРПИ. - 2008. - № 3. - С. 34-40.
9. Леконцев Ю.М., Сажин П.В., Ушаков С.Ю. Применение метода поинтервального гидроразрыва для разупрочнения породного прослойка в угольном пласте // ФТПРПИ. -2012. - № 3. - С. 136-144.
10. Mills K., Jeffrey R., Black D., Meyer T., and Carey K. Developing Methods for Placing Sand-Propped Hydraulic Fractures for Gas Drainage in the Bulli Seam // Coal Operators' Conference, Wollongong, Australia. - 2006. - P. 190-199.
11. Азаров А.В., Курленя М.В., Патутин А.В., Сердюков С.В. Математическое моделирование напряженного состояния пород при касательной и нормальной нагрузках стенок скважины в интервале гидроразрыва // ФТПРПИ. - 2015. - № 6. - С. 3-10.
REFERENCES
1. Frank H., Ting R., Naj A. Evolution and application of in-seam drilling for gas drainage //International Journal of Mining Science and Technology. - 2013. - Vol. 23. - №. 4. - P. 543-553.
2. Lu S. et al. Application of in-seam directional drilling technology for gas drainage with benefits to gas outburst control and greenhouse gas reductions in Daning coal mine, China // Natural hazards. - 2014. - Vol. 73. - №. 3. - P. 1419-1437.
3. Jeffrey R. G. and Boucher C. Sand propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at dartbrook coal mine // Coal Operators' Conference, Wollongong, Australia, 2004. - P. 169-179.
4. Cheng L. et al. Research on Hydraulic Technology for Seam Permeability Enhancement in Underground Coal Mines in China // Energies. - 2018. - Vol. 11. - №. 2. - P. 427.
5. Patutin A.V., Timonin V.V., Kondratenko A.S.,Rybalkin L.A. Integrated deep-borehole study of coal beds // Journal of Fundamental and Applied Mining Sciences. - 2014. - Vol. 1. - № 2. - P. 23-26.
6. Serdyukov S.V., Degtyareva N.V., Patutin A.V., Rybalkin L.A. Precision dilatometer with built-in system of advance along the borehole // Journal of Mining Science. - 2015. -Vol. 51. -№ 4. - P. 860-864.
7. Kurlenya M.V., Serdyukov S.V., Patutin A.V. Assessment of deformation properties of rocks by pressuremeter testing in hydrofractured interval // Journal of Mining Science. - 2015. -Vol. 51. - № 4. - P. 718-723.
8. LekontsevYu.M., Sazhin P.V. Application of the directional hydraulic fracturing at berezovskaya mine // Journal of Mining Science. - 2008. - Vol. 44. - № 3. - P. 253-258.
9. LekontsevYu.M., Sazhin P.V., UshakovS.Yu. Interval hydraulic fracturing to weaken dirt bands in coal // Journal of Mining Science. - 2012. - Vol. 48. - № 3. - P. 525-532.
10. Mills K., Jeffrey R., Black D., Meyer T., and Carey K. Developing Methods for Placing Sand-Propped Hydraulic Fractures for Gas Drainage in the Bulli Seam // Coal Operators' Conference, Wollongong, Australia. - 2006. - P. 190-199.
11. Azarov A.V., Kurlenya M.V., Patutin A.V., Serdyukov S.V. Mathematical modeling of stress state of surrounding rocks around the well subjected to shearing and normal load in hydraulic fracturing zone // Journal of Mining Science. - 2015. - Vol. 51. - № 6. - P. 1063-1069.
© С. В. Сердюков, А. В. Азаров, А. В. Патутин, 2018
