Способ управления направленным гидроразрывом массива горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫМ ГИДРОРАЗРЫВОМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Татьяна Викторовна Шилова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный пр., 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail:shilovatanva@vandex.ru

Андрей Владимирович Патутин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный пр., 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: andrev.patutin@gmail. com

Сергей Владимирович Сердюков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный пр., 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)3359642, e-mail: ss3032@vandex.ru

При разработке месторождений с использованием технологии гидроразрыва необходимо применять способы управления развитием трещин разрыва. В работе представлена технология управления направленным гидроразрывом массива горных пород и развитием трещины разрыва за счет неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород в окрестности скважины до начала гидроразрыва.

Ключевые слова: направленный гидроразрыв, развитие трещины разрыва, неразрушающее изменение, напряженное состояние горных пород.

METHODS TO CONTROL ROCK MASS DIRECTIONAL HYDRAULIC FRACTURING

Tatyana V. Shilova

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, Krasnyi Prospect 54, postgraduate, tel. (383)335-96-42, e-mail:shilovatanva@vandex.ru

Andrey V. Patutin

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academv of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, Krasnvi Prospect 54, postgraduate, tel. (383)335-96-42, e-mail: andrev.patutin@gmail.com

Sergey V. Serdyukov

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academv of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, Krasnvi Prospect 54, Dr.Sci., head of laboratory tel. (383)3359642, e-mail: ss3032@vandex.ru

In mining with hvdraulic fracturing it is necessarv to use methods to control hvdraulic fracturing development. Rock mass directional hvdraulic control technologv and fracture development in non-destructive change of rock mass stress conditions near the well before hvdraulic fracturing are considered in the paper.

Key words: directional hvdraulic fracturing, hvdraulic fracture development, non-destructive change, rock mass stress conditions.

Гидроразрыв горных пород выполняют путем подачи рабочей жидкости под давлением в необсаженный или перфорированный интервал скважины, что способствует разрыву горных пород и формированию трещин в направлении природной трещиноватости и максимального сжатия массива горных пород. Это не всегда совпадает с требованиями геотехнологических способов добычи полезных ископаемых и может снижать эффективность работ. Поэтому при проектировании разработки месторождения с использованием технологии гидроразрыва необходимо применять способы управления развитием трещин разрыва.

Известны разные методы управления гидроразрывом:

• способы направленного гидроразрыва с установкой в скважине или с нарезкой на ее стенках одноразовых концентраторов напряжений заданной ориентации [1,2];

• способы, при которых применяются концентраторы напряжений в сочетании с импульсным режимом подачи рабочей жидкости [3];

• способы, основанные на изменении напряженного состояния в окрестности интервала разрыва скважины за счет бурения в зоне ее влияния дополнительной параллельной скважины [4].

Главный недостаток всех известных способов состоит в том, что необходимо проводить дополнительные сложные технические работы по созданию концентраторов напряжений заданной ориентации и формы, по бурению дополнительных скважин или боковых стволов и др. Это существенно усложняет и повышает трудоемкость выполнения гидроразрыва.

В данной работе описывается разработанный способ для эффективного решения проблем, связанных с проведением направленного гидроразрыва. Этот способ гидроразрыва включает стандартные операции бурения скважины, герметизации интервала разрыва и нагнетания рабочей жидкости в интервал разрыва, при этом нужное, энергетически выгодное направление развития трещины задают за счет неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород в окрестности скважины до начала разрыва, за счет неравномерного нагружения стенок скважины. Развитие трещины в процессе гидроразрыва поддерживают непрерывным до достижения трещиной заданного размера.

Задание энергетически выгодного направления развития трещины за счет неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород и поддержание непрерывного развития трещины обеспечивают в совокупности одностадийный характер направленного гидроразрыва без образования промежуточных инициирующих щелей и/или трещин, и, тем самым, повышает направленность гидроразрыва. Это, безусловно, большой плюс, поскольку негативное влияние многостадийности гидроразрыва на его направленность связано с тем, что направление развития промежуточных щелей и трещин может не совпадать с их ориентацией, что создает условия для неуправляемого разворота трещины гидроразрыва и ее отклонения от заданного направления.

Напряженное состояние горных пород вокруг скважины может быть изменено:

• с помощью неравномерного нагружения стенок скважины вне интервала разрыва;

за счет неравномерного нагружения стенок скважины вида ar = P ■ cos2 в, тгв=-1P■ sin2e, где аг,тгв - нормальная и касательная компоненты неравномерного нагружения стенок скважины, г,в - радиус и угол поворота цилиндрической системы координат с осью z вдоль оси скважины, а P- параметр, характеризующий величину нагружения;

• при неравномерном нагреве или охлаждении стенок скважины;

• за счет создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из скважины в горные породы или из горных пород в скважину.

Это расширяет технические возможности управления направлением развития трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.

С помощью предложенного способа можно выполнить поперечный и продольный гидроразрыв. Напряженное состояние горных пород вокруг скважины может быть изменено за счет одноосного растяжения поверхности скважины перпендикулярно заданной плоскости развития трещины гидроразрыва, например, вдоль оси скважины. Это способствует созданию поперечной трещины гидроразрыва. Также напряженное состояние горных пород можно изменять перпендикулярно оси скважины и заданному направлению развития трещины гидроразрыва, это способствует созданию продольных трещин гидроразрыва.

Рабочая жидкость в процессе гидроразрыва подается в интервал разрыва под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении отличном от заданного, что обеспечивает непрерывный рост только одной трещины гидроразрыва заданной ориентации.

Схема выполнения направленного гидроразрыва представлена на рис. 1, 2 (с формированием продольной трещины гидроразрыва в плоскости оси скважины и поперечной трещины гидроразрыва перпендикулярно оси скважины, соответственно). По предлагаемому способу в массиве горных пород 1 бурят скважину 2, в которой намечают интервал разрыва 3 и интервалы неравномерного нагружения стенок скважины, лежащие вне интервала разрыва 4, 5 и/или в интервале разрыва 6, 7. В одном или более интервалах 4-7 осуществляют неравномерное нагружение стенок скважины описанными выше способами, тем самым до начала гидроразрыва задают направление энергетически выгодного развития трещины 8. Интервал разрыва герметизируют пакерами 9, нагнетают в него рабочую жидкость под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении отличном от заданного и создают трещину гидроразрыва заданного направления.

Рис. 1. Схема направленного гидроразрыва горных пород с формированием продольной трещины гидроразрыва в плоскости оси скважины

Рис. 2. Схема направленного гидроразрыва с формированием поперечной трещины гидроразрыва перпендикулярно оси скважины

6

5

2

Выводы

Предложенный способ управления направленным гидроразрывом позволяет:

• Повысить надежность развития трещин в заданном направлении.

• Снизить трудоемкость выполнения направленного гидроразрыва за счет отказа от технически сложных и затратных операций по созданию в скважине концентраторов напряжений или бурения дополнительных скважин с повышенными требованиями к их геометрии.

• Расширить технические возможности управления направлением трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. 2359115 Российская Федерация, МПК Е21В43/26. Управление по нескольким азимутам вертикальными трещинами, возникающими при гидравлических разрывах в рыхлых или слабоцементированных осадочных породах/ Хокинг Г. (US) - № 2006126830/03; Заявлено 28.12.2004; Опубликовано: 20.06.2009, Бюл. № 17.

2. Пат. 2452854 Российская Федерация, МПК Е21В43/26. Способ проведения направленного гидроразрыва пласта / Турецкий О. П., Турецкий В. П. - № 2010126253/03; Заявлено 25.06.2010; Опубликовано: 10.06.2012, Бюл. № 36.

3. Пат. 2027853 Российская Федерация, МПК Е21С37/00, Е21С37/12. Способ образования протяженного развития направленных трещин в массиве горных пород и устройство для его осуществления / Хрипков А. И., Хрипкова Т. С.- № 4620367/03; Заявлено 14.12.1988; Опубликовано: 27.01.1995, Бюл. № 27.

4. Пат. 2335628 Российская Федерация, МПК Е21В43/26. Способ проведения локального направленного гидроразрыва пласта / Вятчинин М. Г., Гарагаш И. А., Иконников Ю. А. и др.- № 2006125659/03; Заявлено 18.07.2006; Опубликовано: 10.10.2008, Бюл. № 28.

© Т.В. Шилова, А.В. Патутин, С.В. Сердюков, 2013