Сравнительный анализ способов направленного гидроразрыва с механическим якорем и щелевым инициатором Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.234.573

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА С МЕХАНИЧЕСКИМ ЯКОРЕМ И ЩЕЛЕВЫМ ИНИЦИАТОРОМ

Татьяна Викторовна Шилова

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник, тел. (923)708-97-29, e-mail: shilovatanya@yandex. ru

Сергей Владимирович Сердюков

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (913)745-30-03, e-mail: ss3032@yandex.ru

Выполнен сравнительный анализ способов направленного гидроразрыва с механическим якорем и щелевым инициаторомна основе известных моделей дисковых трещин. Рассчитаны зависимости давления разрыва и давления распространения трещины от радиуса скважины и радиуса трещины. Выявлено, что давление направленного гидроразрыва по схеме с якорем ниже, чем по схеме со щелевым инициатором.

Ключевые слова: массив горных пород, скважина, направленный гидроразрыв, давление разрыва, щелевой инициатор, касательное нагружение, дисковая трещина, якорь.

COMPARATIVE ANALYSIS OF DIRECTIONAL FRACTURING METHODS WITH MECHANICAL ANCHORS AND SLIT INITIATOR

Tatiana V. Shilova

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny prospect, Novosibirsk 630091, Russia, Junior researcher, tel. (923)708-97-29, e-mail: shilovatanya@yandex.ru

Sergey V. Serdyukov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny prospect, Novosibirsk 630091, Russia, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, tel. (913)745-30-03, e-mail: ss3032@yandex.ru

Comparative analysis of directional fracturing methods with mechanical anchors and slit initiator for known disk fracture models has been performed. Fracturing pressure and fracture propagation pressure dependences of well and fracture radii have been calculated. It was shown, that pressure of directional hydraulic fracturing with mechanical anchors is lower than with slit initiator.

Key words: rock mass, borehole, directed hydraulic fracturing, fracturing pressure, the initiator, the shear loading, disk crack, anchor.

Гидравлический разрыв продуктивных пластов является эффективным способом интенсификации скважинных методов воздействия на массив горных пород и добычи полезных ископаемых. В шахтах этот метод применяется для повышения охвата породного массива термическим воздействием и подземным выщелачиванием, увеличения газоотдачи угольных пластов и разупрочнения их труднообрушаемой кровли, создания противофильтрационных экранов [1].

Обычный способ выполнения гидроразрыва включает герметизацию выбранного интервала скважины двумя связанными между собой пакерами и подачу в этот интервал рабочей жидкости под давлением, достаточным для разрыва пород. При такой схеме трещина формируется, как правило, вдоль или под небольшим углом к образующей цилиндрической поверхности скважины и развивается в энергетически выгодном направлении, которое зависит от напряженного состояния массива горных пород и его трещиноватости.

Проблема состоит в том, что для большинства практических задач подземной разработки полезных ископаемых нужны трещины гидроразрыва, ориентированные поперек скважины, создать которые обычным способом, как правило, не удается.

Для решения этой проблемы применяют специальные способы направленного гидроразрыва, среди которых наибольшее распространение получил гидроразрыв по схеме со щелевым кольцевым инициатором [2]. Его недостатком является трудоемкая операциянарезания в горной породе щели глубиной (О) до полутора радиусов скважины (Я) (рис. 1а).

А

Б

Рис. 1. Схемы направленного гидроразрыва со щелевым инициатором (А) и с дополнительным касательным нагружением 5 вдоль оси скважины (Б)

Альтернативным решением для необсаженных скважин является способ гидроразрыва характеризующийся тем, что поперечное направление развития трещины задают за счет касательного нагружения стенок скважины вдоль ее оси [1, 3]. Гидроразрыв по такой схеме выполняется с помощью несвязанных между собой пакеров, удерживаемых в месте установки якорями. Касательная нагрузка 5 на стенки скважины создается в месте сцепления якоря со скважиной за счет осевого действия на пакер давления Р рабочей жидкости гидроразрыва (рис. 1б). При малой площади сцепления якоря со стенками скважины значение 5 приближается к максимуму, равномуРЯ/2.

Для сравнительного анализа указанных схем направленного гидроразрыва необсаженных скважин воспользуемся известными выражениями коэффициентов интенсивности напряжений для дисковых трещин, поверхность которых нагружена распределенной по окружности силой (рис. 2а) или внутренним давлением, приложенным к кольцевому участку (рис. 2б).

Рис. 2. Модели дисковых трещин, поверхность которых нагружена распределенной по окружности силой (А) или внутренним давлением, приложенным к кольцевому участку (Б)

Коэффициенты интенсивности напряжений К при симметричном приложении сил к обеим поверхностям соответствующих дисковых моделей трещин, показанных на рис. 2, равны [4]:

2

■ К2-К2

(1)

К,= 2 Р- аз

V

я2-я2

тгЯ,

(2)

где а3 - сжатие горных пород вдоль оси скважины, Я/ - радиус дисковой трещины.

Гидроразрыв по схеме со щелевым инициатором соответствует модели дисковой трещины, обе поверхности которой нагружена внутренним давлением Р, приложенным к кольцевому участку Я<г<Я1, где Я/=Я+1), I) - глубина щелевого инициатора, обычно не превышающая 1,5Я ^м. рис. 3а).

Рис. 3. Дисковые модели схем гидроразрыва со щелевым инициатором (А) и с дополнительным касательным нагружением S вдоль оси скважины (Б)

Гидроразрыв по схеме с дополнительным касательным нагружением вдоль оси скважины соответствует комбинации обеих дисковых моделей, приведенных на рис. 2. Поскольку в этой схеме щелевой инициатор отсутствует, радиус дисковой модели определяется глубиной d техногенных трещин, возникающих при бурении скважины, Ri= R+d. В соответствии с результатами, полученными Руммелем [5], средняя глубина таких трещин в прочных горных породах составляет около 10 мм.

Кольцевой участок трещины R<r<Ri при разрыве по схеме с якорями нагружен давлением рабочей жидкости Р и сжатием горных пород вдоль оси скважины ст3 (рис. 36).

Условием возникновения гидроразрыва является достижение коэффициентом интенсивности напряжений критического для данной горной породы значения Кс. Используя (1) и (2) определим давления разрыва PC для обеих рассматриваемых схем.

Для гидроразрыва со щелевым инициатором глубиной D из (1) получим:

Pc = К1С

V

л R + D . .

-+кз. (3)

D 2R + D 11 w

Для разрыва по схеме с дополнительным касательным нагружением из (1) и (2) следует:

Pc-

yjïr R + d ■ KIC + 2Ф • |cr:

2Ф + К

(4)

где Ф = /

R + d -R2

На рис. 4 приведены результаты расчета давлений^ по формулам (3) - (4) для горизонтальных скважин диаметром 76-122мм, пробуренных на глубине около 200м в песчаниках средней прочности продуктивного пласта Ярегского

месторождения тяжелой нефти в Республике Коми. Для этого объекта в расче-

1/2

тах приняты следующие значения параметров'.Кю =1.5 МПа*м , /)=\.5Я, сН 10мм, | а31 =2.5МПа.

Графики рис. 4 показывают, что давление направленного гидроразрыва по схеме с дополнительным касательным нагружением вдоль оси скважины примерно в два раза ниже соответствующего давления по схеме со щелевым инициатором для всех рассматриваемых диаметров скважин.

В монолитных материалах, например в оргстекле, где d<<R,для определения давления разрыва по схеме с якорем применимы модели краевых туннельных трещин, находящихся под действием внутреннего давления^ или сосредоточенных растягивающих сил Б, приложенных к линиям выхода берегов трещины на поверхность. Коэффициенты интенсивности напряжений для соответствующих моделей определяются формулами:

К1 « 1.1215- Р-а3 К « 0.8236

Рис. 4. Зависимость давления направленного гидроразрыва от радиуса скважины по схеме со щелевым инициатором глубиной 1.5^ и по схеме с якорем при глубине техногенной трещины 10 мм

Давление разрыва, рассчитанное с использованием (5) в области малых значений й, примерно на 40% меньше давления разрыва, рассчитанного по формуле (4).

За счет влияния свободной границы и высокой концентрации напряжений, создаваемых касательными напряжениями, давление разрыва при й<<Я существенно меньше, чем при й = 10 мм. Это свидетельствует о применимости схемы гидроразрыва с якорями и в монолитных породах.

Сравнительный анализ показал, что направленный гидроразрыв по схеме с дополнительным касательным нагружением происходит при меньших давлениях, чем по схеме со щелевым инициатором. Это вместе с тем, что не надо резать щель в горной породе, свидетельствует о преимуществе предлагаемого способа формирования трещины гидроразрыва поперек скважины.

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики № СП-540.2016.1.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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.

2. Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Технология направленного гидроразрыва пород для управления труднообрушающимися кровлями в очистных забоях и дегазации угольных пластов // ФТПРПИ. - 2014. - № 5.- C.137-142.

3. Патент РФ 2522677. Способ направленного гидроразрыва массива горных пород (приоритет от 27.09.2012) / С. В. Сердюков, А. В. Патутин, А. С. Сердюков, Т. В. Шилова // Опубл. в БИ. — 2014. — № 20.

4. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: Т.2/ Ю. Ито [и др.]; под ред. Ю. Мураками. - М.: Мир, 1990. - 1016с.

5. Rummel F., Jung R. J. Hydraulic fracturing stress measurements near the Hohenzollern-Graben-structure, SW Germany //Pure appl. Geophys. - 1975. - Т.113. -№1. - С.321-330.

© Т. В. Шилова, С. В. Сердюков, 2016