Способ импульсного гидроразрыва породного массива

 

Бурят в массиве скважину и нагнетают в нее рабочую жидкость. На расстоянии 3-5 длин волн основной частоты от рабочей скважины бурят дополнительную скважину. Определяют направление векторов максимальных сливных напряжений. Размещают в дополнительных скважинах невзрывные источники вибровоздействия, ориентируют их оси в направлении векторов главных напряжений и поэтажно воздействуют на горный массив. При этом сначала приводят массив в колебательное состояние в диапазоне от 60 до 1500 Гц, а затем воздействуют с частотой, равной частоте колебаний горного массива. Источники размещают с шагом, равным одной восьмой длины основной частоты , по глубине скважины. В процессе вибровоздействия определяют напряженно-деформированное состояние пород и амплитуду давления в знакопеременной упругой волне по расчетной формуле Вибровоздействие осуществляют с амплитудой, давления, равной 0,5 от величины разрушающих напряжений. При вибровоздействии в породы нагнетают технологический раствор с добавкой 3-5% ПАВ. Воздействие произ- , водят до смены деформаций растяжения деформационными сжатиями после чего переходят на частоту, равную частоте нагнетания рабочей жидкости. 20 з п ф-лы. bfS Ё

СОНЭЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4843415/03 (22) 28.06.90 (46) 07..07.93. Бюл. М 25 (75) А.В.Бакулин и В.Н.Бакулин (56) Swift R.P., Kusubov А.S. Multiple

fracturing Boreholes by using tailored — Pulse loading; Soc. Petroies, Eng, I, 1982, 22, М 6, 923-932.

Авторское свидетельство СССР

М 1647157, кл. Е 21 С 39/00, 1988. (54) СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ГИДРОРАЗРЫВА ПОРОДНОГО МАССИВА (57) Бурят в массиве скважину и нагнетают в нее рабочую жидкость, На расстоянии 3 — 5 длин волн основной частоты от рабочей скважины бурят дополнительную скважину, Определяют направление векторов максимальных сливных напряжений. Размещают в дополнительных скважинах невзрывные источники вибровоздействия, ориентируют их оси в направлении векторов главных наИзобретение относится к области горного дела и может быть использовано в различных областях для проведения гидроразрыва в локальном участке земной коры или глубокой скважине.

Цель изобретения — повышение эффективности гидроразрыва за счет увеличения проницаемости и снижения энергоемкости.

Поставленная цель достигается„тем, что, согласно способу, источники вибровоздействия размещают с шагом, равным одной восьмой длины волны основной частоты по глубине скважины в месте проведения гидроразрыва, измеряют напряженно — де„„5U „„1827007 АЗ пряжений и поэтажно воздействуют íà горный массив. При этом сначала приводят массив в колебательное состояние в диапазоне от 60 до 1500 Гц, а затем воздействуют с частотой, равной частоте колебаний горного массива. Источники размещают с шагом, равным одной восьмой длины основной частоты, по глубине скважины. В процессе вибровоздействия определяют напряженно — деформированное состояние пород и амплитуду давления в знакопеременной упругой волне по расчетной формуле. Вибровоздействие осуществляют с амплитудой, давления, равной 0,5 от величины разруша- ющих напряжений. При вибровоздействии в породы нагнетают технологический раствор: с добавкой 3 — 5 g ПАВ. Воздействие произ-, водятдо смены деформаций растяжения де- . 3 формационными сжатиями после чего переходят на частоту, равную частоте нагнетания рабочей жидкости. 20 з.п. ф-лы.

Ы формированное состояние пород, определяют амплитуду давления в знакоперемен- СЪ ной упругой волне из соотношения С>

Анпи = 0,015 (PVj /Ръ, где Р— давление в источнике, кг/см;

2.

Н вЂ” объем камеры давления в источнике, ) дм;

R — глубина размещения источника в скважине, м, а вибровоэдействие осуществляют с амплитудой давления, равной 0,5 от величин ы разрушающих напряжений, при этом в породы .нагнетают технологический раствор с добавкой 3-5 )ь ПАВ и производят виГровоз1827007 действие в течение времени, при котором деформации растяжения сменят деформации сжатия. после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте нагнетания рабочей жидкости в скважину, и производят указанное воздействие до достижения гидроразрыва, Часть обсадной трубы, расположенной на глубине проведения гидроразрыва, и пространство между нею и скважиной заполняют упруговязким материалом, величина акустического сопротивления которого равна величине акустического сопротивления .пород, причем в качестве указанного материала используют редкоземельные вещества или их соединения с добавкой 10% тонкозернистого цемента.

Рабочую жидкость перед нагнетанием в скважину нагревают до 80 С, добавляют в нее расклинивающие агенты с размерами

0,03-0,50 мм плотностью 2,6 — 4,8 г/см в з пределах 1% от общего объема закачиваемой жидкости в скважину, Регистрируют тензодатчиками, встроенными в источники, импульсы давления, определяют их спектры и управляют формой разрушающих импульсов дав ления, возбуждаемых в горном массиве.

Возбуждают в жидкости скважины на глубине проведения гидроразрыва мощные ультразвуковые колебания, являющиеся инициаторами кавитирующих взрывов на пути распространения упругих колебаний, причем энергию кавитирующего пузырька определяют из выраженрия з .4

E =Л — Ро, 3 где Ро — геостатическое давление, обусловленное весом пород, кг/см;

2.

R — размер кавитирующего пузырька, мм.

Контролируют скорость нагружения породы в зоне забоя, выбирают оптимальный режим нагружения, исключающий индуцирование остаточных напряжений, причем время роста давления до разрушения стенок скважины выбирают из условия лО/(2Ср) < t < 8л0/С, где Ся — скорость поверхностных волн Релея в породах стенки скважины, м/с;

D — диаметр скважины, м.

Скорость изменения площади поперечного сечения трещины определяют из выраже8q/д х + qy+ д S /д1 = О, где q(x, t) — скорость инжекции (расход) жидкости разрыва через вертикальное поперечное сечение трещины при x =- const c площадью S(x, t);

qy =- 2hUy -- скорость утечек в породу, приходящаяся на единицу длины трещины;

Uy — скорость утечек на единицу площади поверхности трещины (Оу =- С/(t - т)

1 2.

И -- постоянная высота трещины;

t — время; . т-- момент начала утечек в сухую породу:

С вЂ” постоянный коэффициент утечек.

Ширину трещины для случая пористой породы с массовыми силами, обусловленными градиентами порогового давления, определяют из выражения

Ммакс = 8(1 - 1 )2г (Рс — Рсм)(1 — A/2)/(ËÅ);

15 А =(1 2 v)(1 ) .а=1- C«/Сп

Рсм = (2Яв — APn)/(2 - A), где Рс — давление на входе в трещину;

Рсм —. ДаВЛЕНИЕ, ПРИ КотОРОМ тРЕЩИНа смыкается; а — постоянная Био, равная нулю для обычной упругой среды;

Сп — линейная сжимаемость скелета пористой среды;

r — радиус трещины;

Рп — среднее пороговое давление;

Сск — линейная сжимаемость зерен скелета породы, Раскрытие трещины происходит при выполнении условия

Рр>Р >Р М, причем для горизонтальной трещины давление распространения Рр определяют из выражения

Р, = Ром+ (Е y)1/2(g1 - P)1" /2 (1 — A/2) а для максимального раскрытия вертикальной трещины по всей высоте давления Ррп начала гидроразрыва определяют из выражения

Ррп = Рсм + %- (2 — А), где v — коэффициент Пуассона; у в поверхностная энергия; о, — прочность породы на разрыв;

Š— энергия кавитиру ощего пузырька.

Критическое. значение коэффициента интенсивности напряжений определяют из выра.жения

К1с = (2 У! С) = (2/Л) Кс, где у — плотность поверхностной энергии;

Кс — модуль сцепления породы;

С вЂ” константа, зависящая от упругих постоянных.

Поле напряжений вблизи конца трещины определяют из выражения

oi = Kf;;(g (2 z r) + конечные члены, -1/2 где r, Π— полярные координаты с центром в конце трещины;

fi) (6) — некоторые коне н;. функции, i, J

=1,2,3;

182700i

2 л — постоянный коэффициент интенсивности напряжений.

При распространении трещины гидро- разрыва ее энергию определяют из выражения

Эр=2у+ а,.1, где 2 y — поверхностная энергия с учетом двух поверхностей; а„— коэффициент пластичности, l — полудлина трещины.

Максимум ширины эллиптической трещины s вертикальном поперечном сечении определяют из выражения в„„(х) = f <(hP(x), h(x)), где ЛР(х) = Р(х) - $1, St = $ ин — прочность породы на разрыв;

h(x) — высота трещины в сечении с координатой х;

Р(х) — распределение давления жидкости в трещине, .

Изменение вязкости жидкости гидроразрыва из выражения ,и(х) =- p (О) (1 — х/l), где,и(0) — вязкость жидкости на входе в трещину; ! — полудлина трещины, Раскрытие трещины, находящейся под действием внутреннего давления, определяют из выражения

5 У= — Км -бу

25 где С вЂ” объемная теплоемкость жидкости в трещине;

С вЂ” теплоемкость паровой жидкости;

35 С1 — полуд ина вертикальной трещины гидроразрыва; в — ширина трещины; х — координата в направлении ее удлинения;

V; интенсивность утечек жидкости разрыва через единицу площади поверхности трещины гидроразрыва в направлении у, ф (х, t) = log (Чо Vg);

Чо < 0 — превышение температуры жид=

45 кости разрыва над температурой пласта, взятой в качестве температуры отсчета, так, на входе в трещину гидроразрыва Чо(0, t) =

Vf;

С вЂ” объемная теплоемкость горной породы, насыщенной жидкостью;

q — объемная скорость потока жидкости .s трещине;

t — время; о(х) — время начала утечек жидкости

55 разрыва в породе.

Возбуждают в жидкости скважины на глубине проведения гидроразрыва мощные ультразвуковые колебания, снижают вязкость пластовой жидкости от 10 до 60 .

l() = u()+ V() =

0,5 oo > О (, + д 1 двxz дх В дх в (х, z) с1х dz— — j f Р (х, z) . в (х, z) dx dz, j3 где первый интеграл представляет собой изменение потенциальной энергии 0(в), связанное с упругой деформацией породы при раскрытии трещины, а второй интеграл— работа по раскрытию трещины Ч(в);

P — поверхность трещины;

R = ((х - х) + (z — z ) ) — расстояние между точкой с координатами (х, у), в которой вычисляется давление, и произвольной точкой (х, z) на поверхности трещины, по которой производится интегрирование;

o, = l(4 zc (1 - v)) — жесткость линейно-упругой среды, моделирующей породу с коэффициентами Пуассона v. и модулем сдвига 1, Перенос тепла в пористой горной породе определяют из выражения ((+ — )BH.dy=O л Км оу где Dp — глубина проникновения теплового потока в породу;

К вЂ” теплопроводность насыщенной жидкостью породы;

0- температура; у — координата вдоль оси, ортогональной к поверхности трещины, отсчитываемая

Н вЂ” количество тепла, приходящееся на единицу поверхности пористой породы в плоскости трещины (xz).

Распределение температуры по поверхности трещины определяют из выражения

С q — + (0,5472 См 0p + С в) д( дх — 2 " + 2 Ч (С вЂ” Cf) =0(15);

Р дco ц= ) (— +2Ч) дх; дт с

v = а(x) l yò:т*(х); t >1>, . 1827007

Обеспечивают ортогональность трещины при разности между минимальным и промежуточным главными напряжениями в пределах 0,05 — 0,025 МПа, причем направление распространения трещины в этом случае параллельна направлению действия максипряженном состоянии локальных участков

15 горного массива с неоднородным напряженным состоянием и снижает от 20 до 40 давление гидроразрыва, причем рост порогового давления замедляет рост трещины гидроразрыва, Добавляют в жидкость разрываа газовые компоненты в объеме от 50 до

15% от общего объема нагнетаемой жидкости.

При закачке в скважину холодной воды в объемах, превышающих 10 м", величина з з главного напряжения уменьшается в охлажденной горной породе на 20-60, что облегчает создэкие трещин гидраразрыва и удержание их в зоне охлаждения, при этом давление гидроразрыва снижается да 10

МПа, Наличие естественных трещин уменьшает модули упругости пород от 3 до 15 раз, трещина легко проходит через границу в материал с большими.по величине модулями упругости, и различия в плотности и проницаемости слоев пород не влияют на процесс распространения трещины. На глубине проведения гидроразрыва вокруг скважины возбуждают мощные сейсмиче-. ские колебания и создают радиальные трещины, которые пересекают естественные трещины и образуют сеть каналов, существенно увеличивающих приток флюида к скважине.

На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 — горный массив; 2— скважина; 3 — пласт; 4 — устройство герметизации; 5 —; 6 — упруго — вязкое тело; 7 — источник постоянкога импульсного напряжения; 8 — виброистачники; 9 — компрессор высокого давления

ЭУ вЂ” 5 или ЭУ вЂ” 7; 10 — электронный пульт управления; 11 — микропроцессорный блок; 12 — модуль памяти; 13 — пультовый терминал;

14 — цифропечатающее устройства; 15 — лазер накачки: 16 — световод для передачи энергии луча лазера в скважину; 01 иог— векторы максимальных главных напряжений в массиве горных пород.

Способ осуществляют следующим образом.

По глубине скважины 2 в горном массиве 1 с шагом 1/8 длины волны основной частоты, излучаемой в массив 1, размещают

50 мального главного напряжения.

Фильтрация нивелирует различия в на- . группу источников 8, В месте проведения гидроразрыва в верхней и нижней части скважины между обсадной трубой 5 и скважиной 2 размещают упругавязкий материал

6, причем в качестве указанного материала используют редкоземельные вещества или их соединения с добавкой 10% тонкозернистого цемента в качестве вяжущего, С помощью датчиков давления горных пород определяют поле напряжений и главные векторы в породном массиве, в котором необходимо осуществи ь импульсный массированный гидроразрыв.

Параметры виброисточников 8 и глубину их размещения в скважине выбирают исходя из условий волнового подобия на частотах 60 — 1500 Гц, где имеет место "максимальная" закачка упругой энергии в горный массив в месте проведения гидроразрыва, составляющая ат 3 до 16 всей запасенной энергии в источнике от компрессора 9 высокого давления — от 60 да

300 атм. и выше, Глубина размещения источников 8 оптимальна величине давления, обеспечиваемого столбом воды в скважине

2. Она определена экспериментально при исследованиях в морской сейсморазведке на акваториях и составляет в диапазоне 601500 Гц от 10 до 250 атм, Источники 8 размещают нэ расстоянии друг от друга, равном 1/8 длины волны основной частоты, генерируемой в массив 1.

При скорости P волн в жидкости, равной

1500 м/с, длины волн на частотах:

60 Гц = (1500 м/с)/(60 Гц) = 25 м, 1500 Гц „., =1 м и составляет от 1 до 3 м, Это вызвано тем, что при таком удалении (1/2, 1/4, 1/8) поле упругих напряжений, излучаемое источником, распределено равномерно и позволяет осуществлять синхронизацию работы группы виброистачников относительно легко.

Время воздействия группы виброисточников — синхронной их работы — для приведения массива в неудароопаское состояние при амплитуде давления в знакопеременной упругой волке не более 0,5 от величины разрушающих напряжений для пород, слагающих массив, регулируется посредством электронного пульта управления 10 с компрессором 9 и зависит от обвадненности парад в массиве и геамеханических условий их залегания, глубины их расположения в земной коре, степени трещиновэтости пород.

Импульс давления сжатого воздуха преобразуется тензодатчиком, встроенным в источник 8, в электрический сигнал и подается на вход информационно-вычислительного комплекса (ИВК), в который входят микропроцессорный блок 11, модуль памяти 12, 182700 i

20

55 пультовый терминал 13 и цифропечатающее устройство 14. С помощью ИВКосуществляют синхронизацию работы группы виброисточников 8 в скважине 2 посредством сопоставления эталонных импульсов давления, полученных в лабораторных условиях, с импульсами давления, получаемыми непосредственно в скважине, и по заранее введенной в ИВК программы осуществляют корректировку работы группы виброисточников в выбранном диапазоне частот. С Во мощью Фурье — устройств определяют спектры полученных импульсов давления, сопоставляют их с эталонными и управляют работой группы виброисточников во времени для достижения положительного эффекта. Выбирают оптимальный режим нагружения, в котором не индуцируются остаточные напряжения, и осуществляют контроль скорости нагружения пород в массиве — скорости изменения поперечного сечения магистральной трещины. Определяют ширину трещины в процессе гидроразрыва для пористой породы, степень ее раскрытия, коэффициент интенсивности напряжений, поле напряжений в месте гидроразрыва, энергию, затрачиваемую на гидроразрыв, максимум ширины эллиптической трещины

s вeеeрpтTи кKаeлntь нHо0м ссееч еенН ии, изменение вязкости жидкости гидроразрыва, перенос тепла в пористой породе и распределение температуры по поверхности трещины. При синхронной работе группы источников амплитуду их колебаний поднимают от минимального до максимального значения, определяемого уровнем достижения напряжений в массиве, равном 0,5 от величины разрушающих напряжений, с таким условием чтобы не вызывать динамических проявлений горного давления и не повредить стенки скважины.

Колебания вызывают в массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения колебаний и частичную дегазацию локального участка горного массива, подверженного вибровоздействиям. Эти явления имеют место в горном массиве как при работе одиночного источника, так и при работе группы источников.

Работу группы источников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований; — методом разгрузки с использованием тензодатчиков; — с использованием методов сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии; — сейсмическими методами исследований.

Вибровоздействия осуществляют на массив поэтапно. Сначала приводят массив в колебательное состояние в диапазоне 601500 Гц, нагнетают в породы ПАВ в концентрации 3 — 5) и осуществляют их в течение времени, при котором деформации растяжения в массиве cr енят деформации сжатия, т,е. до достижения в массиве оптимальной проницаемости, Затем переходят на частоту собственных колебаний горных пород, т.е. вибровоздействия осуществляют в резонансном режиме, после чего проводят вибровоздействия с частотой нагнетания рабочей жидкости в скважину и осуществляют в течение времени, необходимого для достижения положительного эффекта, — гидроразрыва. Паоаметры визровоздействия задают для всех источников одинаковыми, а именно частоту/, дли" тельность и интенсивность колебаний поддерживают одинаковыми при неизменных контактных условиях До. во время и после вибровоздействия осуществляют контроль за напряженно — деформированным состоянием горных пород в массиве, что позволяет выбирать оптимальный режим проведения гидроразрыва и его корректировки во время проведения опыта. ВоздейcTBуя HB при конту рнy Io часть Горного массива вибрационныии нагрузками измеряют его напряженно — деформированное состояние и при достижении в нем напряжений 0,5 от разрушающих начинают нагнетать рабочую жидкость в скважину, Таким образом, массив обрабатывается всеми видами вибрационных сжимающих и растягивающих нагрузок, что способствует увеличению проницаемости горных пород и снижению прочности пород на разрыв в месте проведения гидроразрыва, По истечении необходимого времени источники выключают и переносят на новое место, если требуется повторное воздействие на породный массив для д:::тижения необходимого эффекта, Для того чтобы снизить вязкость пластовой жидкости, последовательно возбуждают мощные ультразвуковые колебания, получаемые посредством ощного луча лазера 15, посылаемого в жидкость скважины в месте гид-..оразрыва. Световодом 16 возбуждают к лебания в диапазоне 10 — 20 кГц.

Затем лазер выключают и посредством электронов подают на упруго — вязкое тело, материалом для которого служат редкоземельные вещества, обладающие гигантской магнитострикцией, от источника 7 импульсное напряжение, причем до 50;ь электромагнитной энергии переходит в упругие колебания, параметрами которых управля1827007

50 ют изменяя частоту, величину и длительность импульсного возбуждающего напряжения.

Аналогичным образом управляют параметрами упругих волн изменяя частоту и интенсивность луча лазера накачки. Изменяя посредством вибровоздействий напряженное состояние пород в массиве, создают необходимое соотношение между горизонтальными и вертикальными напряжениямл в месте проведения гидроразрыва для получения сети радиальных трещин в горном массиве с учетом естественных трещин. Обработка горного массива в месте проведения гидроразрыва осуществляется либо с помощью источников 8, работающих в низкочастотном диапазоне от 60 до 1500

Гц, либо посредством 6 или 15, 16 для возбуждения колебаний в ультразвуковом диапазоне частот, что позволяет работать в выбранном диапазоне частот и использовать кавитирующие процессы, проявляющиеся при нагнетании в породы жидкостей, нагретых до 80 С, в совокупности с расклинивающими агентами, чтобы не дать порам и трещинам закрыться при попадании в них частиц размерами О,ОЗ вЂ” 0,50 мм и прочностью от 2,6 до 4,8 г/см, в зависимости от величины гидростатического давления, обусловленного весом вышележащих пород. Кавитирующие процессы в нагретых породах способствует резкому увеличению гидро- и аэродинамических связей пород и повышению проницаемости их эа счет возникновения микро — и макроударных волн давления и пульсирующих потоков флюидов, что также способствует снижению прочности пород на разрыв и увеличению площади гидроразрыва.

При закачке, наряду с вибровоздействиями, в скважину холодной воды в обьеме более 10 м величина главных напряжений уменьшается в охлажденных породах на 20—

60%, что облегчает создание сети трещин и удержание их в зоне охлаждения, при этом давление гидроразрыва снижается до 10

МПа. Для создания массированного импульсного ориентированного гидроразрыва вокруг скважины в месте его проведения возбуждением мощных сейсмических колебаний в диапазоне 60-1500 Гц создают радиальные трещины, которые, пересекая естественные трещины. образуют сеть каналов, существенно увеличивающих приток флюида к скважине, Таким образом, использование выбранного диапазона частот в совокупности с инжектированием в массив разупрочняющих растворов повышает эффективность способа, снижает прочность пород на разрыв до 40% и увеличивает площадь гидроразрыва в несколько раз, Сущность способа заключается в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок в массиве возникают волны сжатия и разрежения. Зти волны вызывают миграцию флюидов — жидкостей и газов, содержащихся s порах и трещинах пород, и содействуют их миграции во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Кроме того, вибрации содействуют раскрытию пор и трещин на пути распространения волн. В местах нагрева пород свыше 40 С при условии, что:

1) направление распространения волны совпадает с направлением простирания пор и трещин;

2) частота колебаний близка к собственным частотам жидкостей, заполняющих поры и трещины;

3) длины излучаемых волн соизмеримы с размерами пор и трещин, в зоне разрежения упругой волны возникают кавитационные пузырьки, заполненные газом и паром и схлопывающиеся в зоне сжатия упругой волны, следствием чего являются возникающие мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия микро- и макроударных волн и потоков флюидов, порождаемых пульсирующими пузырьками, вследствие чего резко возрастает проницаемость пород и изменение прочностных свойств последних на 20—

60%. Кроме того, миграция флюидов в порах и трещинах пород сопровождается; — перераспределением поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов; — истечением газов из пор и трещин— дегазацией локального участка горного массива, подверженного вибровоздействиям; — кавитирующими процессами, причем кавитация процесс вероятностный, она имеет место при определенных начальных и граничных условиях.

Расклинивающие агенты, вводимые в рабочую жидкость, являются концентраторами новых трещин и способствуют увеличению проницаемости горных пород.

Преимущества способа состоят в следующем:

1) перераспределении поля упругих напряжений на пути распространения волн;

2) сведении к минимуму вероятности динамики горного давления;

3) приведении поля существующих напряжений к состоянию, которое удовлетворяет оптимальным условиям проведения гидроразрыва;

1827007

4) создании оптимальных условий возбуждения упругих колебаний в выбранном диапазоне частот при неизменных контактных условиях в режиме накопления упругой энергии;

5) увеличении проницаемости пород в десятки и сотни раз;

6) улучшении параметров гидроразрыва: снижения прочности пород на разрыв и повышения эффективности способа.

Использование изобретения позволит, по сравнению с имеющимися классическими способами, значительно повысить эффективность гидроразрыва, увеличить его площадь и снизить энергозатраты.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения изобретения составляет 46 тыс. руб, в год.

Формула изобретения

1. Способ импульсного гидроразрыва породного массива, включающий бурение скважин в массив, обустройство ее устьеной арматурой, соединенной с насосом и питающим трубопроводом, нагнетание в скважину рабочей жидкости, возбуждение в ней упругих колебаний, определение основной частоты вибровоздействия на горный массив, бурение на расстоянии от рабочей скважины 3 — 5 длин волн основной частоты дополнительной скважины, размещение в ней нензрывных источников вибровоздействия, определение векторов максимальных главных напряжений, ориентирование осей указанных источников в направлении векторов главных напряжений и поэтапное воз действие на горный массив с начальным предварительным приведением горного массива в колебательное состояние в диапазоне 60 — 1500 Гц, последующее воздействие с частотой, равной частоте колебаний горного массива, о тл и чаю щий с я тем, что, с целью повышения эффективности гидроразрыва за счет увеличения проницаемости и снижения энергоемкости, источники вибровоздействия размещают с шагом, pasным одной восьмой длины основной частоты по глубине скважины в месте проведения гидроразрыва, измеряют напряженно-деформированное состояние пород, определяют амплитуду давления в знакопеременнсй упругой волне из соотношения

А = 0.015(Р1/) /R. где P — давление в источнике, кг/см;

2, Ч вЂ” обьем камеры давления н источнике, дм;

R — глубина размещения источника в скважине, м, а вибровоздействие осуществляют с амплитудой давления, равной 0.5 от величины раз5

50 рушающих напряжений, при этом в породы нагнетают технологический раствор с добавкой 3-5% ПАВ и производят вибровоздейстние в течение нремени, при котором деформации растяжения сменят деформации сжатия, после чего переходят на частоту нибровоздейстнил, равную частоте нагнетания рабочей жидкости н скважину, и производят указанное Всздсйствие до достижения гидрсразрына, 2. Способ пс и, 1, с — л и ч а ю щ и и с л тем, что часть обсадной трубы, расположечной на глубине проведения гидроразрыва, и пространство между нею и скважиной заполняют упругонязким материалом, величина акустического сопротивления которого равна величине акустического сопротивления пород, причем н качестве указанного материала используют редкоземельные вещества или их соединения .-, добавкой 10% тонно-зернистого цемента, 3. Способ по и. 1, отличающийся тем, что рабочую жидкость перед нагнетанием в скважину нагревают дс 80 С, добавляют в нее раскладывающие агенты с размерами 0,03 — 0,50 мм с плотностью 2,6—

4,8 г/см в пределах 1% от общего объема закачинаемой жидкости н скважину.

4. Способ по и. 1, отличающийся тем, что регистриру ст тензодгтчиками, встроенными в источники, импульсы давления, определяют их спектры и управляют формой разрушающих импульсов давления, возбуждаемых в горном массиве.

5. Способ по и. 1, отличающийся тем, что возбуждают н жидкости скважины на глубине проведения гидроразрына мощные ультразвуковые колебания, инициируют канитирующие взрывы на пути распространения упругих колебаний, причем энергию Е канитирующего пузырька определяют из выражения

Е =кR — Ро, з 4

3 где Pp — геостатичссксе давление, обусловленное весом пород, кг/см;

R — размер канитиру ащегс пузырька, мм.

6. Способ по и. 1, с т л и ч а ю шийся тем, что контролируют скорость нагружения породы в зоне забоя, выбирают оптимальный режим нагружения. исключающий индуциронание остаточных напряжений, причем время i роста давления до разрушения стенок скважины выбирают из условия л0/(2СЯ) «< 8 лО/Сл. где Ся — скорость поверхности вслч Ревел в породах стенки скважины, м/с:

0 — диаметр скважины, м.

1827007

7. Способ по п, 1, от л и ч а ю шийся тем, что скорость изменения площади поперечного сечения трещины определяют из выражения дц/ дх+оу+ д$/ Bt=О, 5 где q(x, t) — скорость инжекции (расход) жидкости разрыва через вертикальное поперечное сечение трещины при х = const c площадью S(x, 1);

q) = 2КОу — скорость утечек в породу, 10 приходящаяся на единицу длины трещины; .

h — постоянная высота трещины;

U), — скорость утечек на единицу площади поверхности трещины, причем U)(= С/(t - t)

1Г т — момент начала утечек в сухую пора- 15 ду

С вЂ” постоянный коэффициент утечек.

8, Способ поп,1,отличающийся тем, что ширину трещины для случая пористой породы с массовыми силами, обуслов- 20 ленными градиентами порогового давления, определяют из выражения

Г()амакс= 8(1 1 )2г(Рс Рсм)(1 - А/2)/ Л Я, где А = (1 - 2 у){1 - w): a = 1 - Сск/Сп, Рсм = (23в - АРп)/(2 - А); 25

Р, — давление на входе в трещину;

r — радиус трещины; и — постоянная Био, равная нулю для обычной упругой среды;

Сск — линейная сжимаемость зерен ске- З0 лета породы;

С вЂ” линейная с>кимаемость скелета пористой среды, 9.Способ по п,1, отличающийся тем, что для раскрытия трещин соблюдают условие

Р >Р >Р причем для горизонтальной трещины давление распространения Рр определяют из выражения

Pp = P«+(Е У) (r(1 -v)j (1-А/2), а для максимального раскрытия вертикальной трещины по всей высоте давление Ррл начала гидроразрыва определяют из выражения

Ррп = Рсм+ % (2 A), где v — коэффициент Пуассона; у- поверхностная энергия; о — прочность породы на разрыв;

Š— энергия кавитирующего пузырька.

10. Способ по и. 1 о тл и ч а ю шийся тем, что критическое значение коэффициента интенсивности напряжений К1 определяют из выражения

К1с = (2 y /C) = (2/ л) Кс, где y — плотность поверхностной энергии;

Кс — модуль сцепления породы;

С вЂ” константа, зависящая от упругих постоянных.

11. Способ поп. 1, отл ича ю щийся тем, что напряжение вблизи конца трещины определяют иэ выражения

ai1 = К1(1 (Я (2 лт)- + конечные члены, где r, О- полярные координаты с центром в конце трещины;

fi — некоторые конечные функции, h / =

1,2,3;

2 zt — постоянный коэффициент интенсивнрсти напряжений.

12. Способ по и. 1, отли ч а ю щи йся тем. что при распространении трещины гидроразрыва ее энергию определяют иэ выражения

3p = 2 y+ a()l, где 2 y — поверхностная энергия с учетом образования двух поверхностей;

a — коэффициент пластичности;

1 — полудлина трещины.

13. Способ по и. 1, отличающийся тем, что максимум ширины эллиптической трещины в вертикальном поперечном сечении определяют из выражения

Имакс(х) = т1(ЛР(х); h(x)), где ЛР{х) = Р{х) - 31;

S1= Змин — ПРОЧНОСТЬ ПОРОДЫ На РаЗРЫВ;

h(x) — высота трещины в сечении с координатой х;

P(x) — распределение давления жидкости в трещине, 14. Способ по и. 1, отличающийся тем, что изменение вязкости жидкости гидроразрыва определяют из выражения

p(x) =,и (О) (1 — х/I), где р(0) — вязкость жидкости на входе в трещину;

1 — полудлина трещины, 15. Способ пои. 1,отл ич а ющи йся тем, что раскрытие трещины, находящейся под действием внутреннего давления, определяют из выражения

1(со) = U(в) + Ч(г()) =

= О.Б ао f ) () (Р дх В дх

+ д (1 BQ>(»Xz)))) д (R о>(х, z) dx dz— — f ) P(»,z) и(»,z)d»dz, где первый интеграл представляет собой изменение потенциальной энергии 0(с(>), связанное с упругой деформацией породы при раскрытии трещины, а второй интеграл— работа по раскрытию трещины Ч(ж);

1827007 P — поверхность трещины;

R = ((х - х )2 + (z - z ) ) — расстояние между точкой с координатами (х, у), в которой вычисляется давление, и произвольной точкой (х . z ) на поверхности трещины, по которой производится интегрирование;

cr,= ((4 л(1 -1 )) — жесткость линейно-1 упругой среды, моделирующей породу с коэффициентом Пуассона и и. модулем сдвига

I, 16. Способ по и, 1, о тл и ча ю щи и с я тем, что перенос тепла в пористой горной породе определяют из выражения

3 (— i+„)BH dy=0 где Dp — глубина проникновения теплового потока в породу;

KM — теплопроводность насыщенной жидкостью породы;

0-.температура; у — координата вдоль оси, ортогональной к поверхности трещины, отсчитываемая вглубь пласта;

Н вЂ” количество тепла, приходящееся на .единицу поверхности пористой породы в плоскости трещины Х7.

17, Способ по и. 1, о т.л и ч а ю щи и с я тем, что распределение температуры по поверхности трещины определяют из выражения

С q +(0,5472СмDp+С в) д — — — + 2 V (C — Cf) = О (15); д(5Км

/ дт 2Dp

q= f(д,+2V) dx;

V = а (x) / y t -,(х); t > t,,. где С вЂ” обьемная теплоемкость жидкости в трещине;

С вЂ” теплоемкость поровой жидкости; Сг полудлина вертикальнОЙ трещины гидроразрыва; ш ширина трещины;

5 x — координата в на равлении ее удлинения;

V — интенсигносгь утечек жидкости разрыва через единицу площади поверхности трещины гидроразрыва в направлении у,(.10 (,т)=(-Ъ/ );

Vo > 0 — превыц ение температуры жидкости разрыва под температурой пласта, взятой в качестве те;;перат. ры отсчета, так на вхвде в трещину гидроргзрыва Ч,(0, t) =

15 -Vg;

См — Обьемная T ) )>)KocTL> горной породы, насыщенной жидкостью;

Ф вЂ” объемная скорость по-.ока гжидкости в трещине;

20 т — время, о(х) — время начала утечек жидкости разрыва в породу.

18. Способ по и, 1, отличающийся тем, что возбуждают в жидкости скважины

25 на глубине проведения гидроразрыва мощные ультразвуковые колебания и снижают вязкость пластовой жидкости на 10-607.

19. Способ го и. 1, о т л и ч а ю .ц и и с г тем, что обеспечила.о: — ортогональность тре30 щины при разности между минимальным и промежуточным по величине главными HB пряжениями в пределах 0,05 — 0.25 МПа, прчем направл=-ние расг)ространения трещины в этом с учае параллельно направ35 лению действия максимального главного напряжения, 20, Способ по и. 1, о т л и . а ю шийся тем, что в жидкость разрыва доб вляют газовые компоненты в Обьеме 5 — 15 ь От обье40 ма нагнетаемой жидкости.

21. Способ fio и. 1, о т л H ч а ю шийся тем, что на глубине проведения гид:.-Оразрыва вокруг скважины возбужда:о) лсьцные сейсмические колебани"; и создают ради45 альные трещины с пересечением ес-:ественных трещин и Образсыанием сети каналов, 1827007

Составитель А.Бакулин

Редактор З,Ходакова Техред M.Ìîðãåíòàë . Корректор Q.Êðàâöoâç

Заказ 2331 Тираж Подписное

ВНИИГ1И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издателкскил комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Глгаоина. 101