Способ гидравлического разрыва горных пород

 

О П И С А Н И Е ()874997

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союэ Совет сник

Социалистическик

Республик (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву— г. (22)Заявлено 22.08.77 (21) 2517497/22-03 (51)M. Кл. с присоединением заявки ЭЙ

Е 21 В 43/26

Гаоударстваиаый комитет

СССР по делам изобретеиий. и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23. 10 ° 81 ° Бюллетень М39

Дата опубликования описания 23.10.81 (53) УДК622.245. . 54 (088. 8) (72) Автор изобретения

В.Г.Гольдтман

1 ,(<6 A

Ленинградский ордена Ленина, ордена и ордена Трудового Красного Знамени им. Г.В.Плеханова (71) Заявитель (64) СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА

ГОРНЫХ ПОРОД

10

Изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений и может применяться для достижения гидравлического разрыва с об-, разованием закрепленных и полых трещин в кристаллических массивах или напластованиях твердых, в частности, мерзлых льдонасыщенных горных пород при необходимости последующего использования созданных трещин в качестве путей движения потоков жидкости или газа, например, для конвективного переноса тепла от горячих горных пород к скважине или от скважины к мерзлым горным породам, в качестве. ослабленной или свободной по-! верхности при разрушении горных пород и в других случаях.

Известен способ гидравлического разрыва горных пород, основанный на нагнетании жидкости в горные породы с образованием в них трещины гид. равлического разрыва и последующем переносе в трещину взвешенного зернистого закрепляющего материала с определенной концентрацией — от 0 01

Э до 0,59 г/см, после чего требуется 0,1-50 ч поддерживать в скважине и трещине высокое давление.

Способ предусматривает использование определенных составов и гранулометрических характеристик зернистого.материала, обеспечивающих расположение зерен в несколько слоев 1 1).

Недостатком известного способа является невозможность достижения необходимой ширины трещины и сохранение ее во время нагнетания постоянного положения границы площади распространения закрепляющего слоя с получением за контуром этой площади части трещины, сохранившейся в полом состоянии.

Известен способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетания в разрываемую зону жидкости под давлением и последу874997

<фцяйт -т„)(Ф

9I - q с где и — объемный расход расплавлен,ного вещества, м /с;

E- 3"- коэффициент тепловой актив25 ности горных пород; Дж/(м

° гр;д. с ();

). — коэффициент тепловодности горных пород, Вт/(м град) с — удельная теплоемкость горных пород, Дж/ (кг град), 0 — плотность горных пород, кг/ьг ;

Т вЂ” температура отверждения о о расплавленного вещества, С;

Т вЂ” температура горных., пород, С;

С„и С „ „- отсчеты .времени от начала нагревания пород расплавленным веществом, c

F — необходимая площадь распре- 40 деления расплавленного вещества в трещине, м

Й вЂ” количество. тепла отверждения единицы объема расплавленного вещества, Дж/м . 45

Кроме того, с целью увеличения .протяженности формирующейся трещины, закачку расплавлейного вещества чередуют с закачкой неотверждающейся жидкости. 50

Причем в качестве расплавленного вещества закачивают нитрат натрия или пйрафин или нитрит натрия. При разрыве горных пород с температурой ниО же 0 С в качестве расплавленного вещества закачивают воду.

В предлагаемом способе через прогретую скважину в сформированную

Зо ющую закачку в эту зону отверждающегося вещества (2 ).

Однако при известном способе формирующаяся трещина имеет недостаточную ширину, а полая часть трещины отсутствует..

Цель изобретения — увеличение ширины формирующейся трещины и сохранение части трещины в полом состоя,нии. 10

Поставленная цель достигается тем, что в качестве отверждающегося вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждения которого выше температуры горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости путем закачки жидкости под давлением трещину в горных породах, имеющих температуру Т,, закачивают в расплавленном состоянии с температурой

Т вещество, температура отверждения которого T выше температуры горных пород, пересеченных трещиной.

Таким веществом в случае горных пород с температурой выше 0 С может быть, например, нитрат натрия или парафин, или нитрит натрия. А для горо ных пород с температурой ниже 0 С вода.

Нагнетание указанного расплавленного вещества исключает операцию переноса взвешенного в жидкости зернистого материала для .закрепления по известному способу. В трещине образуется радиально расходящийся от скважины п6ток раснавленного вещества, который по мере отдачи тепла в горные породы охлаждается на некотором расстоянии Х до температуры Т и начинает отвердевать, наслаиваясь на обеих стенках трещины в качестве крепления. Между наслоениями в трещине движется остальная частА потока расплавленного вещества с температурой

Т>, причем расход этого потока уменьшается, и на расстоянии Х достигнет нуля. Здесь образуется внешний контур площади наслоения отвердевшего вещества На пути от.Х до Хg расплавленное вещество, имея температуру Т0, не вызывает проплавления в ранее отвердевшем слое каналов.

Такие каналы при закреплении трещины по известному способу ограничивали бы возможность поддержания давления, достаточного для дальнейшего расширения трещины и наращивания толщины слоя зернистого материала, подверженного размыву. В трещине между наслоениями отвердевшего вещества сохраняется и возобновляется щелевидная полость, проницаемость которой достаточна для продолжения непрерывного или периодического нагнетания.с давлением, обеспечивающим дальнейшее расширение трещины и одновременное увеличение толщины наслоения отвердевшего вещества, закрепляющего трещину. Во время, нагнетания постепенно уменьшают расход расплавленного вещества в режиме, при котором согласно указанной форму-. ле теплоотдача изотермически отвердевающего вещества равна кондуктивному потоку тепла в массивы горных

874997

6, пород на постоянной площади. Плотность потока тепла в каждый из двух полуограниченных массивов горных по- род, разделенных трещиной, вычисляют в среднем за последовательные конечные промежутки времени по известной теплофизической зависимости (4. Ю0о-11 И И+4 ИИ, 9I =где Й = /7суобъемный расход расплав-. ленного вещества, мЗ/с; — . коэффициент тепловой активности горных пород, Дж/(м

° град,,сй; коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(м"

° град); удельная теплоемкоств горных пород, Дж/(кг град); плотность горных пород, кг/м

49.

% = (т.-T,) И„,„--/„), где ф — удвоенная средняя плотность потока тепла в полуограниченный массив горных пород за промежуток времени(1 „+« „) кг/мЗ., — коэффициент тепловой активности пород3 . =/ С - ., Р (м ПИДС ), 3- — коэффициент теплопроводности пород Вт(м град);

С вЂ” удельная .теплоемкость пород, Дж/(кг град);

) — объемный вес.пород, кг/м ; М Я+4 и Г„ „- отсчеты времени от начала нагревания пород расплавленным веществом, с.

Площадь растекания расплавленного вещества от скважины до контура начала отвердевания Г возможно, при необходимости, определить по форму ле щ.,с1„

F)= где Ц =С1У< (Тг-Го)

С„- удельная теплоемкость, рас -. плавленного вещества, Дж/(кг град);

) — объемный вес этого вещест4 ва, кг/м

Таким образом, расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости

Т вЂ”, температура отверждения расо о плавленного вещества, С; о

Т4 — температура горных пород, С, С т — отсчеты времени от начала

И+ "И+1

5 нагревания пород расплавленным веществом, с; г — необходимая площадь распространения расплавленного вещества в трещине, м ;

10 4 — количество тепла отвержцения единицы объема расплавленного вещества, Дж/м

Периодическое поочередное нагнетание в скважину расплавленного вещест15 ва и неотвердевающей жидкости выполняют с соблюдением следующих требований, Объем неотвердевающей жидкости, поданной за один полупериод в скважину, больше объема нагнета-

20 тельных труб. Температура неотвердевающей жидкости, нагнетаемой за один полупериод, больше объема закачанного в предыдущем полупериоде расплавленного вещества. Нагнетание неотвер25 девающей жидкости продолжают до спада давления, как признака увеличения радиуса и площади распространения трещин гидравлического разрыва. Нарастание максимального давления нагне3О таемой неотвердевающей жидкости в каж- . дом следующем периоде — признак продолжающегося расширения трещины и наслаивающегося отвердевающего веще-; ства, а резкое снижение давления— признак появлений новой трещины гид равлического. разрыва, не параллельной ранее образованной. Между периодами нагнетания допустимы перерывы на время поййжения температуры гор=

4О ных пород, окружающих трещину.

На фиг. 1 изображена трещина гидравлического разрыва, разрез по ра-.. диальному направлению; на фиг. 2то же, вид в плане.

Трещина 1 в горных породах 2 простирается вокруг буровой скважины

3 до своей границы 4. В трещине 1 находится закрепляющий ее слой отвердевшего расплавленного вещества

5, а в периферической части между контуром 6 и трещиной сохраняется полость 7, которую возможно использовать в качестве пути движения потока флюида, например, воды теплоносителя. Вокруг скважины также сохраняется часть трещины, не запол-. ненная отвердевшим веществом. Слой закрепляющего трещину отвердевшего вещества 5 распространяется нез

874997 го

45 зависимо от наклона трещины в преде лах кольцеобразной площади. его внутренний контур 8 отделен от скважины расстоянием, которое зависит от режима расхода и температуры процесса нагнетания. Отвердевший расплав заполняет также пересеченные искусственной трещиной 1 естественные поры и трещины 9 в горных породах преграждая фильтрационные утечки. 10

На фиг. 1 и 2 пунктиром показано вероятное расположение новых трещин

10 и Il гидравлического разрыва, возникающих после изменения напряженного состояния горных пород, сжатых 15 вследствие расширения и закрепления трещины 1 °

Для осуществления способа требуются известные технические средства.

На поверхности необходим сосуд-нагреватель для подготовки расплавлен— ного вещества, соединенный с напорным баллоном, из которого поступающие порции расплавленного вещества вытесняются в скважину неотверде- 25 . вающей жидкостью. Необходима термоизоляция оборудования и нагнетательной трубы. B скважине необходима труба для предварительного нагревания стенок.

Примером использования предлагаемого способа является проектная схема образования полых трещин, входящих в систему, предназначенную для нагревания воды горными порода35 ми в теплофикационных целях. Температура гращита на глубине распоо ложения трещин Т равна 150 С. Через скважину известными операциями выполняют первый гидравлический раз40 рыв с использованием воды. Затем скважину прогревают до температуры o

280 С и нагнетают для продолжения гидравлического разрыва расплавленную смесь нитрата 1,507) и нитрита натрия с температурой TZ равной о I

270 С. Температура отвердевания это-. го расплавленного вещества Т раво

0 на 250 С. Таким образом, в данном о случае То на 100 С выше Т1, разность

Т -То незначительна. Требуется образовать в трещине слой отвердевшей смеси нитрата и нитрита натрия шириной 0,15 м и на площади 500 м с тем, 2 чтобы вокруг внешнего контура, радиус которого около 17 м, образова- 55 лась незаполненная креплением кольдеобразная часть трещины, в которой будет циркулировать вода — теплоноситель. Необходимый объем отвердевшего вещества составляет 75 м . Для данных условий режим расхода 11 нагнетаемой смеси расплавленного нитрата и нитрита натрия определяется путем вычисления сначала значений плотности потока тепла q в гранит по известной формуле для промежутков времени по 0,1 ч за первый час, и по одному часу за последующее время.

Найденные значения q, известные зна2 чения площади F (500м ) и теплоты отвердевания расплавленного вещества (60 ккал/м ) позволяют по предложенной формуле вычислить объемный расход для ряда последовательных промежутков времени, взятых при вычислении значений q. По нарастающему итогу суммируемых объемов закаченного расплавленного вещества находится продолжительность нагнетания 75 м этоro вещества. В данном случае она равна 6 ч. Найденные значения расхода изменяются от 118 м /ч в течение первого периода 0,1 ч (6 мин), 39,3 м /ч следующие 0,1 ч и т.д. до 15,0 м /ч в конце первого часа, в течение последнего, 6-го часа, расход составляет 7,6 м /ч. Площадь полой периферической части трещины гидравлического разрыва вокруг внешнего контура ее заполненной части, где ширина достигает 0,15 м, составит около 1000 м и

При указанной ширине полой части трещины вероятно образование оперяющих трещин по мере охлаждения и деформации гранита, что обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.

Предложенный способ гидравлического разрыва экспериментально проверен в вечномерзлых льдонасыщенных гравийно-галечных и супесчаных поо родах с температурой -9 С. В качестве расплава отвердевающего вещества через скважину нагнетают пресную о воду, отвердевающую при 0 С. Вода поступает в породы на глубине 5 м.

При первом приеме нагнетания за одну г минуту давление достйгает 12 MH/ì и в образовавшуюся трещину шириной 3 мм поступает 0,12 м воды. Трещина горизонтальна, но имеет вертикальные ответвления, по которым начинается выход воды на дневную поверхность.

После 19-часового перерыва возобновляют нагнетание воды с максимальным давлением 11 MH/м и объемом закаченной воды 0,18 м . Ширина тре874997

10 щины увеличивается на 3 мм и отмечен прирост площади ее распространения, но BepTHkGJIbHbIx трещин больше не появляется, а прежние остаются заполненными льдом. Далее; в течение 250 ч нагнетают воду через ту.х<е скважину

70 раз по 1-б мин, а в сумме 180 мин, в результате чего ширина горизонтальной трещины, заполненной льдом, возросла до 18 мм на площади 1400 м . 10

Таким образом, подтвержцена возможность увеличения ширины и изменения направления трещины при повторных нагнетаниях. Две. группы скважины, в 11 м друг от друга, используют для 15 нагнетания 0,2 м воды в режиме, Э обеспечивающем замерзание льда в трещине гидравлического разрыва на площади с радиусом внешнего контура 3 м от каждой скважины. Ц1ирина горизонтальной трещины достигает 0,004 м на площади 180 м, хотя ледяное наслоение распространилось только на площадь 50 м . Следовательно, на площади 130 м, за контуром ледяного за- 25 полнения трещина осталась полой, что предусматривалось при испытании способа.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа видна при срав.нении результатов образования трещин гидравлического разрыва в качестве .путей движения потока жидкости-теплоносителя между двумя скважинами.

При известном способе образующаяся

35 трещина имеет ширину около 0,005.м и заполнена зернистым материалом, допускающим только фильтрацию. Предлагаемым способом возможно образовать полые части трещин с шириной до

0,015 м и более, в которых поток жидкости испытывает на два-три порядка меньшее гидравлическое сопротивление, что делает эксплуатацию дешевле. Обеспечение возможности образо45 вания полых, несомкнутых участков трещин дпя движения жидкого теплоносителя в системах искусственной проницаемости для использования тепловой энергии горных пород позволит во многих случаях пользоваться гидравличес° В ким разрывом по предлагаемому способу взамен подземных ядерных взрывов для разрушения пород. В случае применения предлагаемого способа гидравлического разрыва на разработках вечномерзлых горных пород е при менением взрывов подготовка полых или льдонаполненных трещин позволит уменьшить объем и стоимость буро-взрывных работ.

Формула изобретения

1. Способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетания в разрываемую зону жидкости под давлением и последующую закачку в эту зону отверждающегося вещества, отличающийся тем, что, с целью увеличения ширины формирующейся трещины и сохранения части трещины в полом состоянии, в качестве отверждающегося вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждения которого выше температуры горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости (46 /VC)(T()-Ò, )(./С +„- йр ) F где,Ф вЂ” объемный расход расплавленного вещества, м /с;

g- ДС "- коэффициент тепловой активности горных пород Дж/(м . . град c" t);

) — коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(м град); с — удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг-град); 8 — плотность горных пород, кг/м

Т вЂ” температура отверждения расО о плавленного вещества, С;

Т,1 — температура горных пород, С; иС вЂ” отсчеты времени от начала ан нагревания породы расплавленным веществом, с;

F — - необходимая площадь распространения расплавленного вещества в трещине, м ;

С) — количество тепла отверждения единицы объема расплавленного вещества, Дж/м .

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью увеличения протяженности формирующейся трещины, закачку расплавленного вещества чередуют с закачкой неотверждающейся жидкости.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что в качестве расплавленного вещества закачивают

874997

12 фиг.

Составитель А.Звездина

Редактор Н.Лазаренко Техред M.Ðåéâåñ Корректор А.Ференц

Заказ 9284 55 Тираж 630 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, З-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 нитрат натрия или парафин или нитрит натрия.

4. Способ по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что при разрыве горных пород с температурой ниже

0 С, в качестве расплавленного вещества закачивают воду.

Источники информации., принятые во внимание при экспертизе

1. Патент C1IIA ¹ 3888311, кл. 166-280, опублик. 1975.

2. Патент США 3537529, кл. 1.66-271, опублик. 1970 (прототип) .