Способ направленного гидроразрыва горных пород

 

Изобретение относится к области горного дела, в частности к геотехнологическим способам добычи полезных ископаемых, и может быть использовано при создании геотермальных циркуляционных систем в малопроницаемых горных породах. Бурят скважины до уровня гидроразрыва, подают по одной из них жидкость под давлением, в других скважинах размещают не менее двух когерентных источников энергии на заданном расстоянии от центра инициации и вызывают колебания массива источниками при достижении давления жидкости в скважине на уровне не менее 90% от критического. 1ил.

Предлагаемое изобретение относится к области горного дела, преимущественно к геотехнологическим способам добычи полезных ископаемых и может быть использовано при создании геотермальных циркуляционных систем в малопроницаемых горных породах.

Известен способ [1] дробления или разрыва предметов с высоким механическим сопротивлением, который предусматривает создание отверстия, в разрываемом предмете, заполненного водой. С помощью теплообменного устройства вода охлаждается (доводится до твердого состояния или нагревается и за счет увеличения своего объема разрушает или разрывает исследуемый объект).

Недостатком является низкая эффективность, вследствие больших тепловых потерь, и высокая инертность.

Известен способ разрыва пластов и устройство для его осуществления [2] принятый за прототип, включающий систему для создания высокого давления в флюиде на избранном интервале пласта вскрытого буровой скважиной. На интервале разрыва, в скважину вводят цилиндрический элемент, на стенке которого имеется кольцевое отверстие, через которое под давлением осуществляется подача жидкости.

Основным недостатком этого способа является необходимость герметизации скважины около кольцевого отверстия, т. к. только в этом случае возможно создание трещины гидроразрыва на заданном интервале, что обуславливает удорожание и увеличение времени проведения гидроразрыва. Данный способ позволяет создавать трещины гидроразрыва лишь на небольшой глубине и в породах сложенных пластами. Он непригоден для создания трещины гидроразрыва в изотропной среде с различным напряженно -деформационным состоянием массива.

Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона применение способа за счет возможности создания направленного гидроразрыва горных пород с образованием трещины в изотропной среде с различным напряженно-деформационным состоянием массива, на разных глубинах, и, кроме того, удешевление способа и сокращение время его произведения.

Поставленная цель достигается тем, что в районе гидроразрыва размещают несколько когерентных источников энергии и вызывают колебания (распространение продольных волн) массива при достижении давления жидкости в скважине не менее 90% от критического. Под критическим давлением понимается давление на разрыв горных пород на заданной глубине (σ_гр).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.

Схема представленная на чертеже содержит: 1 скважина из которой осуществляется гидроразрыв горных пород; 2 горизонт гидроразрыва; 3 трещина гидроразрыва; 4, 5 скважины для размещения когерентных источников энергии; 6 источники энергии (взрывчатое вещество); 7 плоскость ориентации трещины гидроразрыва; 8 емкость для хранения жидкости; 9 насос; 10 эквипотенциальные изолинии распространения колебаний.

Способ осуществляют следующим образом: с поверхности бурят скважину 1 до горизонта гидроразрыва 2, обсаживают трубами до уровня 2, где предполагается создание трещины 3 в горных породах и цементируют затрубное пространство. В скважинах 4 и 5 пробуриваемых с поверхности располагают "точечные" заряды взрывчатых веществ 6 (когерентные источники энергии), которые могут находиться в различных точках пространства (вплоть до поверхности), в зависимости от заданного направления плоскости разрыва 7 и развития трещины гидроразрыва. Далее из емкости 8 подают с помощью насоса 9 жидкость на горизонт предполагаемого гидроразрыва 2 и поддерживают давление жидкости на уровне не ниже 90% от критического, после чего одновременно взрывают заряды 6 в скважинах 4 и 5. Вызванные продольно колебания за счет взрыва, изолинии распространения которых показаны под номером 10 взаимодействуют между собой в центре инициации трещины гидроразрыва и изменяют напряженно-деформационное состояние массива в заданной плоскости. Это позволяет получить взаимодействие статических и динамических напряжений в заданной плоскости, что при суперпозиции волн приводит к появлению максимальных растягивающих напряжений и образованию трещины в массиве заданного направления, а многократное повторение выше указанных операций позволяет регулировать ее протяженность. Освоение такого рода управления параметрами зон гидроразрыва открывает возможность использования нетрадиционных схем геотермальных циркуляционных систем.

Пример реализации:
Исходные данные
1. Глубина уровня гидроразрыва, м H 3000
2. Радиус скважины на горизонте гидроразрыва во взрывных скважинах, м R 0,1
3. Объемный вес взрывчатки, кг/м³ γ_вв= 1600
4. Плотность пород, кг/м³ γ_п = 2500
5. Высота заряда в скважине, м n 10
Порядок расчета определения расстояния заложения взрывчатых веществ от центра инициации гидроразрыва по нормам к плоскости ориентации трещины
1. Определяем объем части скважины высотой h 10 м для заложения ВВ (взрывчатыми веществами) V 3,14 R²h 3,14 (0,1)² · 10 0,314 м³
2. Находим необходимое количество ВВ с учетом в этом объеме
q = Vγ_вв= 0,314·1600 = 502,4 кг
3. Производим оценку эффективного расстояния R_эф по формуле для сейсмически безопасного расстояния R_c при взрыве:

где p параметр характеризующий действие взрыва на выработки, пройденные в массиве горных пород, для незакрепленной скважины p 0,1.

Это выражение справедливо для образования трещины на контуре скважины с учетом γ_пH 3000 м · 2500 кг/м³ 75 МПа.

Однако для производства гидроразрыва (σ_гр) необходимо суммирование статических и динамических нагрузок.

σ_гр= σ_ст+σ_д= 75 МПа
σ_ст по условиям формулы изобретения выбрано на 90% от σ_гр (давление создаваемое нагнетанием жидкости)
σ_ст= 75·0,9 = 67,5 МПа
на σ_д приходится 7,5 МПа.

Из этих условий определяем расстояние заложения ВВ R_эф как


Таким образом, получается общая формула для определения эффективного расстояния R_эф заложения ВВ по нормали к плоскости образования трещины гидроразрыва в зависимости от веса заряда ВВ.

Применение предлагаемого способа позволит достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
1) сократить время проведения гидроразрыва;
2) создать трещину гидроразрыва заданной ориентации в пространстве и управлять ее геометрическими размерами;
3) обеспечить создание гидроразрыва горных пород с любой естественной проницаемостью горных пород независимо от глубины его проведения.

Формула изобретения

Способ направленного гидроразрыва горных пород, заключающийся в бурении скважины до уровня гидроразрыва и подаче в нее жидкости под давлением, отличающийся тем, что в районе гидроразрыва размещают не менее двух когерентных источников энергии на расстоянии от центра инициации трещины гидроразрыва R_эф, для которого соблюдается неравенство

где σ_гр предел прочности горных пород на разрыв с учетом веса толщи вышележащих пород, МПа;
σ_ст статическое давление жидкости на уровне гидроразрыва, МПа;
q вес заряда ВВ, кг;
p параметр характеризующий взрыв, д.ед.

и вызывают колебания массива источниками по достижении давления в скважине на уровне не менее 90% от σ_гр.

РИСУНКИ

Рисунок 1