RU2004823C1

RU2004823C1 - Method for relieving rock mass stress

Info

Publication number: RU2004823C1
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Бакулин
Original assignee: Bakulin Andrej V
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1993-12-15

Description

качестве материала упруго-в зкого тела 6 используют редкоземельные вещества или их соединени , обладающие гигансткой магнитострикцией (Открыти советских ученых - М, МГУ, 1988, с.332. открытие N 225) 5 с добавкой 10% тонкозернистого цемента в качестве в жущего. С помощью датчиков давлени горных пород определ ют поле напр жений и главные векторы до, во врем и после вибровоздействи в локальном уча- 10 стке массива горных пород, где нужно ослабить напр жени .Rare-earth substances or their compounds possessing gigantic magnetostriction are used as the material of the elastic-viscous body 6 (Discovery of Soviet Scientists - M, Moscow State University, 1988, p.332. discovery N 225) 5 with the addition of 10% fine-grained cement as cementitious. Using the rock pressure sensors, the stress field and the main vectors are determined before, during and after vibration exposure in the local section of the rock mass, where it is necessary to weaken the stresses.

Параметры виброисточников 8 и размеры скважин 2 выбирают исход из оптимальных условий волнового подоби , а именно 15 диаметр скважин ФЗОО 500 мм и глубину скважин 8-15 м дл возбуждени мощных вибрационных колебаний в диапазоне 60- 1500 Гц, при которых имеет место максимальна закачка упругой энергии в тело 20 геологического нарушени и составл юща от 3 до 16% всей запасенной в источнике энергии от компрессора 10 - от 60 до 300 атм и более. Глубина размещени виброисточников 8 оптимальна величине давле- 25 ни , обеспечиваемого столбом воды в скважине 2, котора определена экслери- v ментально при исследовани х в морской сейсморазведке на акватори х и составл ет дл диапазона 60-1500 Гц от 10 до 250 атм. 30The parameters of the vibration sources 8 and the sizes of the wells 2 choose the basis of the optimal conditions of wave similarity, namely, 15 the diameter of the wells of the FZOO 500 mm and the depth of the wells of 8-15 m to excite powerful vibrational vibrations in the range of 60 - 1500 Hz, at which the maximum injection of elastic energy takes place into the body 20 of geological disturbance and constituting from 3 to 16% of all stored in the energy source from the compressor 10 - from 60 to 300 atm or more. The depth of placement of vibration sources 8 is optimal for the pressure 25 provided by a column of water in well 2, which was determined experimentally during studies in marine seismic surveys in the waters and ranges from 10 to 250 atm for a range of 60-1500 Hz. thirty

Источники 8 размещают на удалении друг от друга 1/16 длины волны основной частоты, излучаемой в массив 1. При скорости Р-волн в жидкости скважины равной 1500 м/с длины волн на частотах а) 60 Гц ... 35 - (1500 м/с)/(60 Гц) 25 м, б) 1500 Гц ... 1 м, и составл ет в среднем 1-3 м. Это вызвано тем, что на таких удалени х поле упругих напр жений, генерируемое виброисточни- ком. распределено равномерно, и позвол - 40 ет легко осуществл ть синхронизацию работы фуппы виброисточников.Sources 8 are placed at a distance 1/16 of the wavelength of the fundamental frequency radiated to array 1. When the P-wave velocity in the well fluid is equal to 1500 m / s wavelength at frequencies a) 60 Hz ... 35 - (1500 m / s) / (60 Hz) 25 m, b) 1500 Hz ... 1 m, and averages 1-3 m. This is due to the fact that at such distances the field of elastic stresses generated by the vibration source. evenly distributed, and allows - 40 it is easy to synchronize the operation of the fuppa of vibration sources.

Врем синхронной работы группы виброисточников - их синхронной работы при приведении локального участка горного 45 массива, где производ т гидроразрыв, в возбужденное состо ние, регулируетс посредством электронного пульта управлени , включающего блок согласовани 9 и компрессор 10. и зависит от обводненности 50 пород в массиве и геом ехэнических условий их залегани , глубины расположени пород и степени их трещиновагости, причем импульс сжатого воздуха, подаваемый в источ- ник от компрессора, преобраз уетс 55 тензодатчиками , встроенными в источник в электрический сигнал, и подаетс на вход информационно-измерительного комплекса (ИВК), в который вход т блоки 11-14, и с помощью ИВК осуществл ют синхронизацию работы группы виброисточников во времени посредством сопоставлени эталонных импульсов давлени , полученных в лабораторных услови х с импульсами, получаемыми в массиве, и по заранее заданной программе производ т корректировку работы группы виброисточников в выбранном диапазоне частот.The time of synchronous operation of the group of vibration sources — their synchronous operation when the local section of the mountain massif 45, where the hydraulic fracturing is performed, is brought into an excited state, is controlled by an electronic control panel including a matching unit 9 and compressor 10. It depends on the water cut of 50 rocks in the array and geomechanical conditions of their occurrence, the depth of the rocks and the degree of cracking, and the pulse of compressed air supplied to the source from the compressor is converted by 55 load cells built-in and into a source into an electrical signal, and fed to the input of the information-measuring complex (IVC), which includes blocks 11-14, and using the IVC, synchronize the operation of the group of vibration sources in time by comparing the reference pressure pulses obtained in laboratory conditions x with pulses received in the array, and according to a predetermined program, the operation of the group of vibration sources in the selected frequency range is adjusted.

С использованием Фурье-устройства, встроенных в ИВК, определ ют спектры полученных импульсов давлени , сопоставл ют с эталонными импульсами и осуществл ют корректировку и управление работой грутты виброисточников во времени до достижени положительного эффекта и выбирают оптимальный режим нсгружени горного массива во врем проведени гидроразрыва , при котором не индуцируютс остаточные напр жени , и осуществл ют контроль скорости нагружени .Using the Fourier device built into the IVC, the spectra of the obtained pressure pulses are determined, compared with the reference pulses and the work of the vibration source ground is adjusted and controlled over time until a positive effect is achieved, and the optimal loading mode of the rock mass during hydraulic fracturing is selected which does not induce residual stresses, and control the loading rate.

При синхронной работе группы виброисточников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровн , определ емого уровнем напр жений в горном массиве и равном 0,5 от величины разрушающих напр жений пород, слагающих массив, с таким условием, чтобы не вызвать динамических про влений горного давлени .During synchronous operation of a group of vibration sources, their amplitude is slowly raised from the minimum to the maximum level, determined by the level of stresses in the rock mass and equal to 0.5 of the value of the destructive stresses of the rocks composing the rock mass, so that it does not cause dynamic manifestations of rock pressure .

Осуществл регистрацию сейсмических колебаний на значительных удалени х от виброисточника, обрабатывают полученную геоакустическую информацию, анализируют ее и по изменению скорости или затухани сейсмических волн вы вл ют геологические и тектонические нарушени в массиве, ориентируют виброисточники в направлении простирани этих нарушений и воздействуют на массив упругими колебани ми в выбранном диапазоне частот. Колебани вызывают в массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение пол упругих напр жений на пути распространени упругих волн и частичную дегазацию локального участка горного массива, подверженного вибровоздействи м . Эти влени имеют место как при работе группы виброисточников, так и в случае работы одного источника.Carried out registration of seismic vibrations at considerable distances from the vibration source, they process the obtained geoacoustic information, analyze it and, by changing the speed or attenuation of the seismic waves, reveal geological and tectonic disturbances in the array, orient the vibration sources in the direction of the strike of these disturbances and act on the array with elastic vibrations in the selected frequency range. Oscillations cause relative movement of structural elements in the massif, redistribution of the field of elastic stresses along the path of propagation of elastic waves, and partial degassing of the local part of the massif subject to vibration. These phenomena occur both during the operation of a group of vibration sources and in the case of a single source.

Работу группы виброисточников Контролируют геомехническими и геофизическими методами исследований, а именно методом разгрузки с использованием тензо- датчиков; с использованием сейсмических методов, или методов с использованием сей- смоакустической или электромагнитной эмиссииThe work of the group of vibration sources is controlled by geomechanical and geophysical research methods, namely, by the method of unloading using strain gauges; using seismic methods, or methods using seismic-acoustic or electromagnetic emission

Вибровоэдействи на горный массив осуществл ют поэтапно:Vibration effects on the mountain range are carried out in stages:

-вначале привод т массив в возбуженное состо ние в диапазоне 60-1500 Гц в овокупности с нагнетанием и других разупочн ющих растворов и вибровоздействи существл ют в течение времени, при котоом деформации сжати в горном массиве е перейдут в деформации раст жени , что оответствует оптимальной проницаемости ассива;-first, the array is brought into an excited state in the range of 60–1500 Hz, together with injection and other unprotecting solutions and vibration exposure exist for a time during which the compression deformations in the rock mass e transform into tensile deformations, which corresponds to optimal permeability Assiva

-затем переход т на частоту собственных колебаний горного массива, то есть вибровоздействи производ т в резонансном режиме;-then, the transition m to the frequency of natural oscillations of the rock mass, that is, vibration effects are carried out in resonance mode;

-после чего переход т на частоту вибровоздействи , равную частоте нагнетани рабочей жидкости в скважину и вибровоздействи осуществл ют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта-разгрузки горного массива от пившихс напр жений.-after which the transition to a frequency of vibration exposure equal to the frequency of injection of the working fluid into the well and vibration exposure is carried out for a period of time at which the positive effect of unloading the rock mass from overburdened stresses is achieved.

Параметры вибровоздействи задают дл всех виброисточников одинаковыми: ча- стоту, длительность и интенсивность при не- иэменных контактных услови х и, воздейству на массив вибрационными колебани ми , измен ют его напр женно-деформированное-состо ние и при достижении в массиве напр жений, равных по величине 0,5 от разрушающих, вибровоздействи прекращают и нагнетают в массив скрепл ющие растворы с частотой нагнетани растворов в скважины.The vibration exposure parameters set the same for all vibration sources: frequency, duration and intensity under non-specific contact conditions and, acting on the array with vibrational vibrations, change its stress-strain state and when the stresses in the array are equal to by a value of 0.5 from destructive vibrations, stopping solutions are stopped and injected into the array with the frequency of injection of solutions into the wells.

Таким образом, горный массив обрабатываетс всеми видами сжимающих и раст гивающих нагрузок в широком диапазоне частот в резонансном режиме нагружени , что способствует увеличению проницаемости пород в массиве, снижению прочности пород на разрыв от 20 до 40% и разгрузке горного массива от напр жений и снижению удароопасности пород в массиве.Thus, the massif is processed by all types of compressive and tensile loads in a wide frequency range in the resonant loading mode, which helps to increase the permeability of rocks in the massif, reduce the tensile strength of rocks from 20 to 40% and unload the rock mass from stresses and reduce impact hazard rocks in the array.

По истечении необходимого времени виброисточники выключают и перенос т на новое место или оставл ют на старом, если сохран етс повторна возможность их ис пользовани при получении положительного эффекта.After the required time has elapsed, the vibration sources are turned off and transferred to a new place or left in the old one, if the repeated possibility of their use in obtaining a positive effect remains.

Чтобы снизить в зкость пластовой жидкости и увеличить степень ее проникновени в поры и трещины пород массива и тем самым снизить прочность пород на разрыв, последовательно возбуждают:To reduce the viscosity of the reservoir fluid and increase the degree of penetration into the pores and cracks of the rocks of the massif and thereby reduce the tensile strength of the rocks, successively excite:

а)мощные ультразвуковые колебани посредством луча лазера, подаваемого световодом 16 от лазера накачки жидкости 15 в скважины 2 в месте разгрузки массива от напр жений в диапазоне 1-10 кГц;a) powerful ultrasonic vibrations by means of a laser beam supplied by the optical fiber 16 from the laser pumping liquid 15 into the wells 2 at the place of unloading of the array from voltages in the range of 1-10 kHz;

б)затем лазер выключают и посредством электродов подают на материал 6, кото- рым заполнено пространство междуb) then the laser is turned off and by means of electrodes serves on the material 6, which filled the space between

обсадной трубой 5 и стенкой скважины 2, причем в качестве материала используют интерметаллические соединени редкоземельных веществ, обладающих гигантскойcasing 5 and the wall of the well 2, and as a material used intermetallic compounds of rare earth substances having a giant

магнитострикцией, импульсы напр жени от источника 7 и возбуждают в редкоземельном веществе электромагнитные колебани , до 50% которых переходит в упругие колебани , причем параметрами упругих ко0 лебаний управл ют, измен частоту и величину возбуждающего напр жени .magnetostriction, the voltage pulses from the source 7 also excite electromagnetic oscillations in the rare-earth substance, up to 50% of which transforms into elastic oscillations, the parameters of elastic oscillations being controlled by changing the frequency and magnitude of the exciting voltage.

Аналогичным образом управл ют параметрами упругих волн, измен частоту, длительность и интенсивность луча лазераThe parameters of elastic waves are controlled in a similar way by changing the frequency, duration, and intensity of the laser beam

5 15. Возбужда в массиве ультразвуковые колебани в выбранном диапазоне частот в совокупности с нагнетанием в породы ПАВ, гидроокиси натри или гидроокиси натри с метанолом, нагретых до 80°С, инициируют5 15. Excitation in the array of ultrasonic vibrations in the selected frequency range together with injection of surfactants, sodium hydroxide or sodium hydroxide with methanol heated to 80 ° C into the rocks initiate

0 в массиве кавитирующие процессы, которые в совокупности с расклинивающими агентами, в качестве которых используют сажу, песок и другие минеральные добавки с размерами частиц 0,03-0,5 мм и плотно5 стью 2600-4800 кг/м3 в зависимости от величины геостатического дав ени , обусловленного весом вышележащих пород . Про вление кавитирующих процессов способствует тому, что проницаемость по0 род в массиве значительно возрастает, причем упруга волна, представл юща собой зоны сжати и раст жени , действует как тектонический насос и флюиды-жидкости и . газы, содержащиес в порах, трещинах и0 cavitating processes in the array, which together with proppants, which use soot, sand and other mineral additives with particle sizes of 0.03-0.5 mm and a density of 2600-4800 kg / m3 depending on the value of the geostatic pressure Due to the weight of the overlying rocks. The manifestation of cavitating processes contributes to the fact that the permeability of the rocks in the array increases significantly, and the elastic wave, which represents the compression and extension zones, acts as a tectonic pump and fluid-fluids. gases contained in pores, cracks and

5 геологических нарушени х, перемещаютс во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны, что в свою очередь способствует про влению кавитирующих процессов на пути распространени упругой волны5 geological disturbances, move many times faster than in the absence of an elastic wave, which in turn contributes to the manifestation of cavitating processes along the path of elastic wave propagation

0 при условии, что направление упругой волны совпадает с направлением простирани геологического нарушени ; частота упругой волны близка к частоте собственных колебаний флюидов в порах, трещинах и геологи5 ческих нарушени х; наличие твердых включений во флюидосодержащих растворах на пути распространени волны.0 provided that the direction of the elastic wave coincides with the direction of the strike of the geological disturbance; the frequency of the elastic wave is close to the frequency of natural vibrations of the fluids in the pores, cracks, and geological disturbances; the presence of solids in fluid solutions along the wave propagation path.

Расклинивающие агенты, вводимые в технологические растворы, не дают порам иProppants introduced into technological solutions do not give pores and

0 трещинам закрытьс и служат новыми концентраторами пор и трещин в массиве, что способствует также увеличению трещинова- тости массива и его проницаемости при нагнетании в массив растворов.0 cracks are closed and serve as new concentrators of pores and cracks in the massif, which also contributes to an increase in fracturing of the massif and its permeability during injection of solutions into the massif.

55

Преимущества способа состо т в том, что размещение виброисточников в зоне геологического нарушени или тектонического разлома по предлагаемому способу позвол ет осуществить:The advantages of the method are that the placement of vibration sources in the zone of geological disturbance or tectonic fault according to the proposed method allows to implement:

перераспределение пол упругих на-производительность за счет уменьшени redistribution of the floor elastic on-performance by reducing

пр жений на пути распространени упругихобъема буровых работ по сравнению с имеволн;ющимис классическими способами раззакачать в массив упругую энергию вгрузки массива, например, методомstresses in the way of spreading the elastic volume of drilling operations compared to those of waves; using classical methods, unload the elastic energy of loading the array into the array, for example, by

выбранном диапазоне частот;5 сотр сательного взрывани .selected frequency range; 5 strokes.

управл ть состо нием и свойствами пород в массиве;$6} Указани по безопасному ведению горснизить веро тность про влени дина-ных работ при строительстве и эксплуатамики горного давлени ;ции Северо-Уральского бокситногоcontrol the state and properties of rocks in the massif; $ 6} Instructions for safe conduct to reduce the likelihood of dynamic work during the construction and operation of mountain pressure; North Ural bauxite

повысить эффективность способа за10 рудника, подверженных горным ударам. счет снижени энергоемкости и увеличени Л.: ВНИИМИ, 1982. to increase the efficiency of the method for mines prone to mountain impacts. by reducing energy intensity and increasing L .: VNIIMI, 1982.

его производительности.Управление свойствами и состо ниемits performance. Property and state management

Испол ьзование предлагаемого изобре-угольных пластов с целью борьбы с основтени позвол ет значительно снизить энер-ными ч пасност ми в шахтах. - М.: 1984,The use of the proposed inventive-coal seams for the purpose of controlling the basement can significantly reduce energy reserves in mines. - M .: 1984,

гоемкость способа и увеличить его15 с.110-112.the capacity of the method and increase it 15 pp. 110-112.

Фоомула изобретени Foomula inventions

н творов прекращают и нагнетают в массивn creators are stopped and pumped into an array

твердеющие растворы в течение времени, hardening solutions over time,

1. СПОСОБ РАЗГРУЗКИ ГОРНОГО 20 при котором прочность растворов достига- МАССИВА ОТ НАПРЯЖЕНИЙ, включаю- ет 0,5 величины проектной прочности, щий исследование строени и структуры2 Способ по пл отличающийс тем1. METHOD OF UNLOADING MOUNTAIN 20 in which the strength of the solutions reaches MASS FROM STRESSES, includes 0.5 magnitude of design strength, which studies the structure and structure2

горного массива и воздействие на породы цто амплитуду давлени в знакоперемен- последнего упругими волнами от вибро- ной упругой волне поддерживают на уров- источников, отличающийс тем, что, с 25 не 0 5 величины разрушающих целью повышени производительности напр жениИ1 действующих в массиве, дл разгрузки за счет увеличени гидро- и предОТВраЩени динамических про вле- аэродинамических св зей пород, предва- Ний горного давлени , рительно возбуждают в локальном участкеof the massif and the effect on the rocks, that the pressure amplitude alternating between the elastic waves and the vibrational elastic wave is maintained at the source level, characterized in that, with 25 not 0 5 values that destroy the aim of increasing the productivity of the voltages I1 acting in the mass for unloading due to the increase in hydro- and PREVENTION of dynamic pro-aerodynamic bonds of rocks, in anticipation of rock pressure, they are excitedly excited in the local area

Горного массива упругие колебани , вы в- 30 3. Способ по п.1, отличающийс тем, л ют по изменению скорости и затуханию что повышени гидро- и аэродинамиче- упругих вЪлн геологические и тектониче- ских св зей горного массива в массив на- ские нарушени и разломы, ориентируют гнетают гидроокись натри или гидроокись направление воздействи виброисточни- натри с метанолом, нагретые до 80 С, ков в направлении простирани наруше- 35 4. Qnoco6 по п.1, отличающийс тем, ний и нагнетают в скважины, пробуренные что в зоне нарушени породы нагревают в зонах нарушений ПАВ и другие разуп- до ЗО С и выше и инициируют кавитирую- рочн ющие растворы, измер ют напр - щие процессы путем распространени уп- женно-деформированноесосто ние ругой волны через нагретые участки пород.The elastic massif of the rock mass is 30 3. The method according to claim 1, characterized by the change in speed and attenuation, which increases the hydro- and aerodynamic-elastic elastic geological and tectonic links of the massif to the massif faults and faults, they orient the sodium hydroxide or the hydroxide in the direction of impact of the vibration source — sodium with methanol, heated to 80 ° C, in the direction of the strike — 35 4. Qnoco6 according to claim 1, characterized in that it is injected into wells drilled in the breach zone is heated in bunk zones of surfactants and other products up to 30 ° C and above and initiate cavitating solutions, measure the direct processes by propagating the tensile-strained state of the other wave through heated sections of the rocks.

горного массива и при снижении напр же- ° 5. Способ по п.1, отличающийс тем, ний до уровн , равного 0,5 от разрушаю- что контролируют напр женно-деформиро- щих напр жений, действующих в горном ванное состо ние массива до, во врем и массиве, нагнетание разупрочн ющих рас- после вибровоздействи .the mountain massif and with decreasing stress - ° 5. The method according to claim 1, characterized in that it is up to a level of 0.5 from destructive, which is controlled by the stress-strain stresses acting in the mountain bath state of the massif to , during and mass, injection of softening discharges after vibration exposure.

в ю юо ю3in yu yuuo3

фиг.1figure 1

щu

Фие.7Fie. 7

i 106ci 106c

15 30 К 6015 30 K 60

Пг Фиг.З PG Fig.Z

т +±t + ±

j SSS S SS/ SSS /SS SSS /// 0/ ЛР Mr rfp ДУ Jpj SSS S SS / SSS / SS SSS /// 0 / ЛР Mr rfp ДУ Jp

// ЛГ S S /SS /// Stf {// Ж #( ffl jff /// //S jp, // LG S S / SS /// Stf {// Ж # (ffl jff /// // S jp,

&г.4& g. 4