Способ гидроразрыва пласта

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при интенсификации горнои геотехнологических процессов ., в частности при подземном выщелачивании. Цель изобретения - повышение эффективности способа. Сущность: на удалении от скважины, предназначенной для гидроразрыва в 3-5 длины волны, бурят скважины, определяют векторы максимального и минимального главных напряжений, размещают в них невзрывные пневматические источники, ориентируют их оси в направлении действия минимального главного напряжения, заполняют скважины упруговязким телом, возбуждают в массиве горных пород колебания в диапазоне от 60 до 1500 Гц, вначале приводят массив в неудароопасное состояние закачкой в него разупрочняющих растворов, а затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, приводят массив вудароопасное состояние, переходят на частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний жидкости в скважине, и нагнетают в скважины рабочие жидкости с расклинивающими агентами, что позволяет значительно повысить эффективность гидрорззрыва, уменьшить усилие разрывных пород, увеличить площадь разрыва пород по сравнению с имеющимися классическими способами гидроразрыва, 5 з.п. ф-лы.

((9) (1!) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИлЛИСТИчЕСких

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 43/26

ГОСУДАРСТВЕННЫ И КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ! (21) 4722421/03 .(22) 24.07,89 (46) 07.07.92. Бюл. ¹ 25 (75) А.В. Бакулин и B.Н. Бакулин (53) 622.276 (088.8) (56) Гадиев С.М, и др. Воздействие на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1966, с. 48, 87. (54) СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА (57) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при интенсификации горно- и геотехнологических процессов. в частности при подземном аыщелачивании. Цель изобретения — повышение эффективности способа, Сущность: на удалении от скважины, предназначенной .для гицроразрыва в 3-5 длины волны, бурят .-Скважины, определяют векторы максимального и минимального главных напряжений, размещают в них невзрывные пневматиче-Изобретение относится к области горного дела и нефтедобычи и может быть ис. пользовано для интенсификации гео- и горнотехнологических процессов.

Известен способ гидроразрыва пласта горной породы, включающий бурение скважин, обустройство их устьевой арматурой, нагнетание в скважину под давлением рабочих жидкостей посредством гидроимпул ьса тора.

Способ трудоемок. нетехнологичен. обладает низким КПД передачи энергии в массив от гидроимпульсатора. Известен также способ гидроразрыва пласта. при котором определяют направления главных напряжений е породном массиве с созданием трещин. ориентированных в направлении действия минимального главного напряжеские источники, ориентируют их оси в направлении действия минимального главного напряжения, заполняют скважины упруговязким телом, возбуждают в массиве горных пород колебания в диапазоне от 60 до 1500 Гц, вначале приводят массив в неудароопасное состояние закачкой в него разупрочняющих растворов, а затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива. приводят массив вудароопасное состояние. переходят на частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний жидкости в скважине, и нагнетают в скважины рабочие жидкости с расклинивающими агентами, что позволяет значительно повысить эффективность гидроразрыва, уменьшить усилие разрывных пород, увеличить площадь разрыва пород по сравнению с имеющимися классическими способами гидроразрыва. 5 з.п. ф-лы. ния, путем нагнетания в скважину под давлением рабочей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействия на пласт. .Известный способ также трудоемок, нетехнологичен, не учитывает структурных особенностей пласта, не позволяет работать в выбранном диапазоне частот - резонансном режиме для пласта в режиме накопления упругой энергии при закачке ее в пласт при неизменных контактных условиях.

Цель изобретения — повышение эффективности способа, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу вибровоэдействия осуществляют сначала путем приведения массива горных пород в колебательное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в течение времени, 1745903 необходимого для смены деформаций сжатия деформациями растяжения и одновре.. менного нагнетания в скважину . разупрочняющих растворов. затем проводят колебательный процесс горного масси.-ва при частоте. равной частоте его собственных колебаний в течение времени, - при котором напряжения s упругой волне — достигнут значений не менее геостатического от веса вышележащих пород. после

- чего переходят на частоту воздействия, рав: ную.частоте собственных колебаний рабо- чей жидкости.

Амплитуду давления в упругой волне

- опреДеляют из выражения

А Кипи = N 0,015 (PV) /R, (1)

- а появляющееся при этом знакопеременное

«давлсн "e в упругой волне определяют из .- выражения

Р= Ро+А Срв cos(ât х/с), (2) тде N — количество виброисточников в груп:-. Пе-;.: — .

: Pg — давление в источнике, кг/см; г, — - Ч- объем камеры давления в источнике.

: дм; .-:: -; . Р-- глубина размещения источника в

-,скважине, м;

=.--:Рo —. геостатическое давление, кг/см;

=-. =:: A- амплитуда колебаний в упругой вол=-ме-, и./си;, - - С вЂ”. скорость упругой волны, м/с; ..ь:-... ф- плотность среды, кг/см;, ю —: частота колебаний, 1/с; .. =-.-:t-: время, с;

=-.=--=х — путь, проходимый волной, м, †:.==:-:При вибровоздействиях на пласт осу .ществляют регистрацию сейсмоакустичев ских колебаний.

=:- =-: В-качестве разупрочняющих растворов .ииспользугот смесь 1%-ного раствора карба -мида и 2%-ного раствора сульфосалицилоiaoA:;кислоты или горячие растворы сгидраакиси натрия или гидроокиси натрия с

= метанолом или ниэкотемпературные хладогагенты:с термодинамическим воэдействипем= Предел прочности отрыва горных пород ввод действием приложенных нагрузок определяют из выражения

= =-: Исм — (Кп /g (3)

i причем критерий распространения трещин

-s-горнам массиве выбирают из выражения — Ио — (Kn) / (4) его.КΠ— модуль сцепления горных пород. .Радиус разгрузки горного давления г:Вследствие пластической деформации для нуПругопластических и пористых пород вы - бирают из выражения

Ч }»,. 0

r 0,61 ехр - 2 К (5)

2 Кн где рь — удельный вес вышележащих пород;

S р — удельный вес жидкости;

Н вЂ” глубина залегания пласта.м;

ʄ— предел текучести при сдвиге.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и главные векторы п1 и oz в породном массиве, где нужно осуществить гидрораэрыв.

На удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, бурят в горном массиве 1 скважины (b 300-500 мм и глубиной 5-12 м, размещают в них невзрывные пневматические источники 4. причем направление воздействия совпадает с одним иэ главных напряжений в породном массиве, т.е. оси источников ориентируют в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения.

Максимальный диаметр скважины и ее глубину выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний в горном массиве на частотах

60 — 1500 Гц, при которых имеет место "максимальная" закачка упругой энергии в тело горной выработки, составляющая 3-9% всей энергии. поступающей в источник от компрессора высокого давления (от 60 до

300 атм). Глубина скважины оптимальна ве35 личине давления, оказываемого столбом упруговяэкого материала. которым заполняют скважины после размещения в ней источника. В качестве упруговяэкого тела используют мокрый штыб. воду, буровую мелочь вперемешку с водой, мокрый кварцевый песок и другие минеральные добавки.

Давление на источник в скважине определено экспериментально в морской сейсморазведке и составляет для диапазона

60 — 1500 Гц от 5 до 12 м. Скважины бурят на удалении 3 — 5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, причем исходя из условий волнового подобия при скорости Pволн в массиве, равной 3000 м/с, их длина

50. волн на частоте 60 Гц равна 50 м, на частоте

1500 Гц 2 м, что на удалении 3-5 длин волн составляет в среднем 50-150 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях от источника поле упругих напряжений, генерируемое им. распределено равномерно, в то время как на удалениях. равных или меньших длины волны, OHO неравномерно.

Время вибровоздействия — время синхронной работы группы источников, регули1745903 руемое посредством электронного пульта управления зависит от обоодненности горного массива и геомеханических условий его залегания.

Перед проведением гидрораэрыва в скважину нагнетают разупрочняющие растворы в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60-1500 Гц, приводят локальный участок горного массива в возбужденное состояние, причем вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором произойдет смена деформаций сжатия деформациями растяжения, что соответствует достижению оптимальной проницаемости пород в массиве, после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, и осуществляют их в течение времени, при котором напряжения в упругой знакопеременной волне не достигнут значений, равных не менее геостатического .. давления от веса вышележащих пород, после чего переходят на частоту вибравоздей.ствия, равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости, нагнетаемой гидроимпульсатором, т.е. гидрораэрыв осуществляют в резонансном режиме и вибро. воздействия осуществляют в несколько . этапов: вначале в диапазоне 60 †15 Гц с учетом структурных особенностей горного массива.

При скорости P-волн в массиве 3000 м/с и длинах волн-от 2 до 50 м неоднородности. слагающие массив(их размеры находятся в пределах от 2 до 50 M), сопоставимы с длинами волн, что является одним из условий волнового подобия (вэаимодействия волны с неоднородностью). Если длина волны соизмерима с размерами неоднородности или . меньше ее, то взаимодействие упругой вол - ны позволяет "раскачать" локальный участок горного массива и привести в возбужденное состояние для повышения гидро- и аэродинамических свойств пород и повышения проницаемости пород в массиве.

Для того, чтобы облегчить эту "работу" приведения локального участка горного массива в возбужденное состояние, нагнетают в совокупности с вибровоздействиями в пласт разупрочняющие растворы, содержащие flAB причем ПАВ вы пол ня ют работу сил расширения, и делают поры и трещины пород сообщающимися, т.е. увеличивают проницаемость горного массива и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения, достигают оптимальной проницаемости горного массива. например, для скальных пород проницаемость, при обычных условиях равная 0.02 МДарси, 5

10 возрастает при вибровоэдействиях от 4,6 до

7,8 МДарси, Затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, и осуществляют вибровоздействия в течение времени, при котором напряжения в упругой знакопеременной волне не достигнут геостатического от веса вышележащих пород, после чего вибровоздействия прекращают, переходят на частоту. нагнетаниИ рабочей жидкости в скважину и вибровоздействия осуществляют в резонансном режиме до тех пор, пока не произойдет гидрораэрыв и не появится магистральная

15 трещина, Для избежания динамических проявлений. горного давления до. во время и после вибровоэдействия осуществляют контроль за напряженно-деформированным состоя20 нием пород в массиве в совокупности с контролем трещин отрыва сейсмоакустическими методами исследований или с помощью электрокаротажа.

Для разупрочнения горных пород во

25 время гидроразрыва в совокупности с вибровоздействиями в зависимости от типа пород используют смесь 1 -ного раствора карбамида и 2;,-ного раствора сульфосалициловой кислоты или горячие растворы гид30 роокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом или низкотемпературных хладоагентов с термодинамическим воздействием, причем, предел прочности отрыва пород под действием приложенных нагрузок опре35 деляют из выражения NcM -(К /л), взяв за критерий распространения трещин в горном массиве соотношение N ((К„)/ л, где

Кп — модуль сцепления горных пород.

Для упругопластических и пористых по40 род пластическая деформация. приводит к уменьшению местных напряжений, и радиус разгрузки горного давления выбирают. иэ соотношения

Ф вЂ” Н

45 . 2К„

r >0.61 ехр

У где р — удельный вес вышележащих пород, Ф i

p --удельный вес жидкости: Н вЂ” глубина залегания пласта. м;

Кл — предел прочности при сдвиге.

При уменьшении глубины залегания пласта и увеличении Кп, как видно из формулы. область разгрузки резко уменьшается. и наоборот. Для глубин 200-400 м радиус зоны разгрузки невелик и практически имеет один и тот же порядок с радиусом скважины. следовательно, пластическая деформация в этом случае несущественна. Сущность изобретения состоит е том, что под воздействиУ

1745903 ем мощных вибрационных нагрузок в горных породах имеет место миграция флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах. Это приводит к изменению порового давления и, как следствие. к изменению прочностных свойств горных пород. окружающих эти поры и трещины, т.е, к перераспределению поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов.

Это явление назвали упругим миграцитным геоэффектом. Он имеет место в любых диапазонах частот — от герц до мегагерц. Под воздействием упругих волн миграция флюидов происходит в сотни и тысячи раз быстрее, чем в отсутствие упругих волн.

Размещение источников по предлагаемому способу позволяет; создать оптимальные условия для возбуждения упругих волн в выбранном диапа, зоне частот; ) управлять состоянием и свойствами пород в массиве; повысить проницаемость горных пород и увеличить гидро- и аэродинамические свойства горного массива. а следовательно, например, при добыче нефти и газа повысить их дебит (извлечение) иэ скважины; повысить эффективность гидроразрыва снизить прочность пород при отрыве и увеличить более чем на порядок площадь гидроразрыва.

Пример. Прочность пород на глубине

420 м составляет 660 кг/см .

Для приведения горного массива в воз.бужденное состояние используют четыре источника "Пилон-1" с параметрами: давлеwe в источнике 100 кг/см; объем камеры г. давления в источнике 10 дм; глубина раз з. мещения источника 10 м.

По формуле (1) определяют амплитуду давления в волне A»< = 6.1 10 кг/см и для

-г г того, чтобы развить давление в упругой волне не менее геостатического, нужно совершить N = (660 кг/см )/(6.1 10 кг/см ) ==1,1 10 вибровоэдействий, и, воздействия таким давлением на горный массив, нагнетают в породы разупрочняющие растворы.

При смене деформаций сжатия деформациями растяжение переходят для скальных пород на частоту вибровоздействия 200-400

Гц и воздействуют ею в течение времени. при котором давление в волне не достигнег геостатического, после чего вибровоздействия осуществляют на частоте нагнетания рабочей жидкости в скважину. Прочность пород за счет нагнетания ПАВ и виброобрзботки снижается на 20-40 ь по сравнению со случаем, когда виброобработка не осуществляется, и площадь гидроразрыва увелидеформациями растяжения и одновременного нагнетания в скважину разупрочняющих растворов. затем проводят колебательный процесс горного массива

30 при частоте. равной частоте его собствен-, ных колебаний в течение времени, при котором напряжения в упругой волне достигнут значений не менее геостатического давления от массы вышележащих пород, после

35 чего переходят на частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости.

2. Способ по п.t î ò ë и ч а ю шийся тем, что амплитуду давления в упругой вол40 не определяют из выражения

A И»и =N 0,015 (Pg V) /R, а появляющееся при этом знакопеременное давление в упругой волне определяют из выражения

45 Р = Р+ А Срв соз(в -X/С). где N — количество виброисточника в группе, шт;

Р— давление в источнике. кг/см:

2.

Ч-объем камеры давления в источнике.

50 м ; R — глубина размещения источника в скважине, м;

Ро — геостатическое давление, кг/см2:

А Йнпи — амплитуда давления в первой полуволне;

С вЂ” скорость упругой волны, м/с; р- плотность среды. кг/ ; со — частота колебаний, 1/с

t- время, с;

25 чивается от 1.7 до 3.9 Газ для скальных пород.

Использование изобретения позволит, повысить эффективность способа, улучшить его параметры по сравнению с классическими способами без использования вибровоздействий, что значительно сокращает расходы электроэнергии и материалов и снижает время проведения эксперимента.

Формула изобретения

1, Способ гидроразрыва пласта, при ко-! тором определяют направления главных напряжений в породном массиве с последующим созданием трещин, ориентированных 8 направлении действия минимального главного напряжения путем нагнетания в скважину под давлением рабочей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействия на пласт, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности способа. вибровоздействие осуществляют сначала путем приведения массива горных пород в колебательное состояние в диапазоне 60 — 1500 Гц в течение времени, необходимого для смены деформаций сжатия

1745903

Составитель А.Симецкая

Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова редактор В.данко

Заказ 2372 Тираж Подписное НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 г

Х вЂ” путь, проходимый упругой волной, м, 3. Способпо п1. отл ичающи йся тем, что при вибровоздействиях на пласт осуществляют регистрацию сейсмоакусти- ческих колебаний.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве раэупрочняющих растворов используют смесь 1;,-ного раствора карбамида и 2"-, -ного раствора сульфосалициловой кислоты, или горячие растворы гидроокиси натрия и гидроокиси натрия с метанолом, или низкотемпературные хладоагенты с термодинамическим воздействием.

5, Способ по п.1. отличающийся тем, что предел прочности отрыва горных пород под действием приложенных нагрузок определяют из выражения

Йсн « {Кп /Л) ° причем критерий распространения трещин в горном массиве выбирают из выражения

No (Кп /л) где К вЂ” модуль сцепления горных пород.

5 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиус области разгрузки горного давления вследствие пластической деформации для упругопластических и пористых пород выбирают из выражения

10 — Н г 0,61 ехр где р -удельный вес вышележащих пород, кг/м: р — удельный вес жидкости (воды), 15 кг/мз;

Н вЂ” глубина залегания пласта, м;

Кл —. предел текучести при сдвиге,