Способ контроля площади зоны гидроразрыва горных пород
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОЩАДИ ЗОНЫ ГИДРОРАЗРЫБА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий подачу в зону гидроразрьтаа злёктропроводящей жидкости, возбуждение жидкости с помощью источника электромагнитного поля, введение в зародьпиевую щель электрода и измерение параметров электромагнитного ПОЛЯ, по результатам которых судят о площади зоны гидроразрыва, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров трещины, имекицей произвольное положение в пространстве , возбуждение жидкости осуществляют облучением электромагнитным полем источника, удаленного от зоны гидроразрьша, измеряют до и в процессе гидроразрьша величину напряжения на электроде и определяют площадь зоны гидроразрыва горной породы по формуле JP S So Uoгде S So площадь трещины; (Л площадь трещины до гидроразрыва (площадь зародышевой щели); и напряжение на электроде,введенном в жидкость; Uo напряжение на электроде до гидроразрьша. СП ел
СОЮЗ СО8ЕТСНИХ
СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ
PECflVS JlHH
4(5ц G 01 V 3/18
ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРытий
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ASTOPCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ВСЕГИОЗ1 Я
13, Мйй3В."; й;, П2
S=So Ф
Uo2 где S
Uo (21) 3479511/24-25 (22) 06.08.82 (46) 23.05.85. Бюл. У 19 (72) С.А. Болотов, М.В. Курленя, Н.Г. IQo О.И. Чернов и Е.И.Шемякин (71) Ийститут горного дела Сибирского отделения АН СССР (53) 530.837(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке N"- 3242761/18-25, кл. С 01 Ч 3/18, 2. Авторское .свидетельство СССР
Ф 918918, кл. G 01 V 3/18, 1980 (прототип) . . ° з (54)(57) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОЩАДИ
ЗОНЫ ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий подачу в зону гидроразрыва электропроводящей жидкости, возбуждение жидкости с помощью источника электромагнитного поля, введение в зародышевую щель электрода и измерение нараметров электромагнитного попя, по результатам которых су„„SU„„1157507 дят о площади зоны гидроразрыва, отличающийся тем, что, с целью повышения точности спределения параметров трещины, имеющей произвольное положение в пространстве, возбуждение жидкости осуществляют облучением электромагнитным полем источника, удаленного от зоны гидроразрыва, измеряют до и в процессе гидрораэрыва величину напря- жения на электроде и определяют площадь зоны гидроразрыва. горной породы по формуле
- площадь трещины; — площадь трещины до гидроразрыва (площадь зародышевой щели);
- напряжение на электроде,введенном в жидкость; — напряжение на электроде до гидроразрыва.
1157507
Изобретение относится к технике контроля параметров разрыва горных пород и прЕдназначено для определения площади раскрытия трещины во" круг скважины. 5
Известен способ контроля площади зоны разрыва горных пород, где в скважине по обе стороны зародышевой трещины устанавливают электроды, замеряют между ними сопротивление 1О до и после разрыва породы по изменению которого судят об изменении площади зоны разрыва горной породы (1) .
Однако этот способ можно использовать при условии, если электропроводность горных пород значительно больше электропроводности среды внутри трещины. При нарушении этого условия его применение приводит к недопустимо большим погрешностям
Наиболее близким к техническому решению по числу существенных признаков является способ контроля площади >5 зоны гидроразрыва горных пород,включающий подачу в зону гидроразрыва электропроводящей жидкости, возбуждение горных пород с помощью источника электромагнитного поля и измерение параметров электромагнитного поля, по результатам которых судят о площади зоны гидроразрыва.
В этом способе зону разрыва возбуждают источником переменного напряжения и одновременно измеряют между
35 жидкостью в трещине и .разными точками массива на его открытой поверхности величину тока смещения, по которой судят о форме и размерах
40 зоны гидроразрыва горных пород 2 .
Этот способ предназначен для контроля указанных параметров трещины на небольшом расстоянии от устья скважины при условии, что трещина
45 расположена параллельно открытой поверхности массива. Если увеличивается расстояние между трещиной и устьем скважины или нарушается условие параллельности ее расположения относи50 тельно открытой поверхности массива, то возрастают погрешности измерений вплоть до недопустимо больших значений.
Целью изобретения является повы- 55 шение точности определения параметров трещины, имеющей произвольное положение в пространстве.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля площади зоны гидроразрыва горных пород, включающем подачу в зону гидроразрыва электропроводящей жидкости, возбуждение горных пород с помощью источника электромагнитного поля, введения в зародышевую щель электрода и измерение параметров электромагнитного поля, по результатам которых судят о площади зоны гндроразрыва, возбуждение жидкости осуществляют облучением электромагнитным полем источннка, удлиненного .от зоны гидроразрыва, измеряют до и в процессе гидроразрыва величину напря>кения на электроде и определяют площадь зоны гидроразрыва горной породы по формуле
Пг
П о где S — площадь трещины;
$„ — площадь трещины до гидрораз рыв а (площадь з ародышевой щели);
U — напряжение на электроде, введенном в жидкость;
U — напряжение на электроде гидрораэрыва.
На чертеже показана схема проведения контроля площади зоны гидроразрыва горных пород.
Схема содержит массив горных пород 1, скважину 2, зародышевую щель 3, пакер 4, трубу 5, трещину
6, электрод 7, экранированный кабель 8, измеритель 9 напряжения, дополнительную трещину 10, питающий электрод 11, генератор 12 переменного напряжения.
При выполнении гидроразрыва в массиве 1 бурят скважину, в которой создают зародышевую щель 3 и устанавливают пакер 4. В зародьпиевую щель через трубу 5 подают жидкость под давлением, при котором происходит гидроразрыв с образованием трещины 6.
Для контроля за параметрами образования трещины 6 через пакер 4 в жидкость вводят электрод 7, к которому подключают через экранированный кабель 8 измеритель напряжения
9, а зону гидроразрыва облучают электромагнитным полем.
Один из возможных, способов облучения зоны гидроразрыва электромагз 11 нитным полем заключается в следующем.
На расстоянии, при котором обеспечивается прохождение волн через горную породу, до эоны гидроразрыва осуществляют еще один гидроразрыв электропроводящей жидкостью указанным способом с целью создания небольшой дополнительной трещины 10 (диаметром 2-3 м). В дополнительную трещину вводят питающий электрод 11 генератора 12 переменного напряжения и выполняется находящуюся в трещине жидкость. Поверхность жидкости используют в качестве излучателя электромагнитных волн.
Если контролируемая трещина находится на таком расстоянии от открытой поверхности массива, которые способны. проходить электромагнитные волны, то производить дополнительный гидроразрыв нет необходимости. В этом случае применяют обыч-ные излучатели электромагнитных волн, например, вибраторы или рамочные антенны, которые устанавливают в открытом пространстве.
Способ основан на использовании поверхности электропроводящей жид57507 4 где 3 — длина волны;
r — радиус антенны.
Это соотношение практически всегда можно выполнить
При таком соотношении электромагнитный процесс носит квазистационарный характер. Величина сигнала одинако- вая по всей поверхности антенны в каждый рассматриваемый момент времени.
Средняя плотность мощности P в антенне определяется выражением
1 я р
2 (2) 25 где U — падение напряжения на антенне.
П ° S ° cos aC, = —, g ° U>
2 или
40 ((Q U
П ° cos c (4) Более простое выражение в сравнении с (4) можно получить при условии если на одной из стадии развития зоны
4> гидроразрыва известна ее площадь и соответствующее этой площади напряжение, на электроде 3. Такая стадия может соответствовать условию, когда жидкость в зародышевую щель уже подана, а гидроразрыв еще не осуществлен.
В соответствии с (4) площадь зародышевой щели Бр может быть представлена как
p = II S.cosd., где — численное значение вектора
Умова-Пойтинга, определяющее поток мощности через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения волны;
S — - эффективная площадь антенны;
oL — угол наклона поверхности антенны к плоскости гереднего фронта волны.
Эффективная площадь антенны равна ее геометрической площади в том случае, когда выполняются соотношение
2,)> 2r, кости для приема электромагнитных
Ф волн, на зависимости между мощностью принимаемой электромагнитной энергии и площадью поверхности электропроводящей жидкости, на отсутствии значительных фазовых сдвигов в плоскости приема электромагнитных волн.
Из теории антенн известно, что оптимальную мощность приемной антенны можно представить в виде
1 где 6 — удельная проводимость;
E - амплитудное значение напряженности электромагнитного поля.
Интегрируя (2) по поверхности S антенны, получают значение вещественной части P комплексного вектора
Умова-Пойтинга
Д 6Е. г — ö6И
1 ъ 1 2 т
Известно, что вещественная часть потока комплексного вектора УмоваПойтинга, входящего в область антенны извне, в среднем уравновешивает происходящий там расход энергии, соэ. дает активную мощность. Поэтому, правые и левые части выражений 1 и
3 равны, т.е. где U4,, - напряжение на электроде 5 до гидроразрыва.
1157507
ВНИИПН Заказ 3365/46 Тираж 748 Подписное
Фядкаа ППП "Патеют", г.Ужгород, ул.Проектмая, 4
Разделив .правые и левые части вы ражений 4 и 5, решая относительно
S имеют ця
S Soу2
Уо
Данный способ проверен на поро дах из песчаника и гранита. Возбуждение источника электромагнитных волн осуществляется генератором. через усилитель мощности. Напряжение на электроде измеряется селективным вольтметром. Проверка производится на карьере. Гидроразрыв осуществлен на расстоянии 10 м относительно открытой вертикальной поверхности массива горных пород. В трещину закачивается водный раствор поваренной соли с добавлением красителя (с целью визуального определения границ трещины после ее обнажения). Излучение электромагнитной энергии осуществляется через рамочную антенну с расстояния 150 м от зоны гидроразрыва на частотах
150-250 кГц. Процесс гидроразрыва контролируется также известным способом. Различия между истинными размерами трещины и определенными по указанным способам не превышают десяти процентов, что практически
5 вполне допустимо.
Способ в основном предназначен для контроля за процессом направленного гидроразрыва с целью определения и изменения фильтрационных и механических свойств горных пород.
Информация о параметрах гидроразрывов позволяет оценивать направления главных напряжений в массивах, эффективно проводить дегазацию угольных пластов и управлять кровлей. От правильности работ по гидроразрыву зависит безопасность добычи полезных ископаемых подземным способом. Зна о .чение способа увеличивается по мере перехода ведения горных работ на большие глубины, где проведение профилактических мероприятий с целью защиты людей и оборудования от динамических проявлений горных массивов является особо необходимым.
