SU1745903A1 - Способ гидроразрыва пласта - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к горному делу и может быть использовано при интенсификации горно- и геотехнологических процессов ., в частности при подземном выщелачивании. Цель изобретени  - повышение эффективности способа. Сущность: на удалении от скважины, предназначенной дл  гидроразрыва в 3-5 длины волны, бур т скважины, определ ют векторы максимального и минимального главных напр жений, размещают в них невзрывные пневматические источники, ориентируют их оси в направлении действи  минимального главного напр жени , заполн ют скважины упругов зким телом, возбуждают в массиве горных пород колебани  в диапазоне от 60 до 1500 Гц, вначале привод т массив в неу- дароопасное состо ние закачкой в него раз- упрочн ющих растворов, а затем переход т на частоту вибровоздействи , равную частоте собственных колебаний горного массива, привод т массив вудароопасное состо ние, переход т на частоту воздействи , равную частоте собственных колебаний жидкости в скважине, и нагнетают в скважины рабочие жидкости с расклинивающими агентами, что позвол ет значительно повысить эффективность гидрорззрыва, уменьшить усилие разрывных пород, увеличить площадь раз- рыва пород по сравнению с имеющимис  классическими способами гидроразрыва, 5 з.п. ф-лы.

Description

-Изобретение относитс  к области горного дела и нефтедобычи и может быть использовано дл  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 гидроимпульса- тора.

Способ трудоемок, нетехнологичен, об-  адает низким КПД передачи энергии в массив от гидроимпульсатора. Известен также способ гидроразрыва пласта, при котором определ ют направлени  главных напр жений о породном массиве с созданием трещин , ориентированных в направлении действи  минимального главного напр жени , путем нагнетани  в скважину под давлением рабочей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействи  на пласт.

Известный способ также трудоемок, нетехнологичен , не учитывает структурных особенностей пласта, не позвол ет работать в выбранном диапазоне частот - резонансном режиме дл  пласта в режиме накоплени  упругой энергии при закачке ее в пласт при неизменных контактных услови х .

Цель изобретени  - повышение эффективности способа.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу вибровоздействи  осуществл ют сначала путем приведени  массива горных пород в колебательное состо ние в диапазоне 60-1500 Гц в течение времени,

Х|

Јь СЛ 4D

СО

,

необходимого дл  смены деформаций сжати  деформаци ми раст жени  и одновре- : немного нагнетани  в скважину разупрочн ющих растворов, затем провод т колебательный процесс горного масси- . ва при частоте, равной частоте его i собственных колебаний в течение времени, : при котором напр жени  в упругой оолне

-достигнут знамений не менее геостатического от веса вышележащих пород, после

-чего переход т на частоту воздействи , рав- . ную частоте собственных колебаний рэбо- . чей жидкости.

Амплитуду давлени  в упругой волне ; определ ют из выражени 

- A-Nmm-N. 0,015 (PnV)1/3/R, (1)

-а по вл ющеес  при этом знакопеременное :давлс ие в упругой волне определ ют из

.-выражени  .: Р РО + А Срш cos(an-x/c), (2)

-где N - количество виброисточников в груп- :-ле;

z. -- - . Ри - давление в источнике, кг/см ;

: - - - V-объем камеры давлени  в источнике.

:дм3;

--- .- - глубина размещени  источника в

-скважине, м;

е -- Р0- геостатическое давление, кг/см ; в; :z A амплитуда колебаний в упругой вол- г-не; кг/см2; .

;т: С -гскорость упругой волны, м/с; v ::., -ft- плотность среды, кг/см3; w т- частота колебаний, 1 /с; -, - tr- врем , с:

путь, проходимый волной, м. вибровоздействи х на пласт осу- ьществл ют регистрацию сейсмоакустиче- ЕСКИХколебаний.

с -е:В-качестве разупрочн ющих растворов .иисаопьзуют смесь 1 %-ного раствора карба- иида м2%-ного раствора сульфосалицило- нвой:-тсислоты или гор чие растворы с гидроокиси натри  или гидроокиси натри  с s метанолом или низкотемпературные хладо- г,агевты с термодинамическим воздействи- пем Предел прочности отрыва горных пород е од действием приложенных нагрузок определ ют из выражени  т, C.-NCM -(Кп/л)(3)

причем критерий распространени  трещин т горком массиве выбирают из выражени 

.s- : No (М/Д(4)

с дегКб - модуль сцеплени  горных пород. г;г: Радиус разгрузки горного давлени  г.вследствие пластической деформации дл  нУгфугоплзстических и пористых пород вы- - бирают из выражени  пес-- -.-: ь«е: -.- /. при еСт- -

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

.61ехр|)

/ KH J

I

(5)

где РО - удельный вес вышележащих пород:

р - удельный вес жидкости;

Н - глубина залегани  пласта, м;

Кп - предел текучести при сдвиге.

Способ осуществл ют следующим образом .

С помощью датчиков давлени  горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определ ют поле напр жений и главные векторы а и QI в породном массиве , где нужно осуществить гидроразрыв.

На удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, бур т в горном массиве 1 скважины ф 300-500 мм и глубиной 5-12 м, размещают в них невзрывные пневматические источники 4. причем направление воздействи  совпадает с одним из главных напр жений в породном массиве, т.е. оси источников ориентируют в плоскости, проход щей через линию действи  минимального главного напр жени . Максимальный диаметр скважины и ее глубину выбирают исход  из оптимальных условий возбуждени  сейсмических колебаний в горном массиве на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальна  закачка упругой энергии в тело горной выработки; составл юща  3-9% всей энергии, поступающей в источник от компрессора высокого давлени  (от 60 до 300 атм). Глубина скважины оптимальна величине давлени , оказываемого столбом уп- ругов экого материала, которым заполн ют скважины после размещени  в ней источника . В качестве упругов зкого 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 составл ет дл  диапазона 60-1500 Гц от 5 до 12 м. Скважины бур т на удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, причем исход  из условий волнового подоби  при скорости Р- волн в массиве, равной 3000 м/с, их длина волн на частоте 60 Гц равна 50 м, на частоте 1500 Гц 2 м, что на удалении 3-5 длин волн составл ет в среднем 50-150 м. Это обусловлено тем, что на таких удалени х от источника поле упругих напр жений, генерируемое им, распределено равномерно , в то врем  как на удалени х, равных или меньших длины волны, оно неравномерно.

Врем  вибровоздействи  - врем  синхронной работы группы источников, регули/руемое посредством электронного пульта управлени  зависит от обводненности горного массива и геомеханических условий его залегани .

Перед проведением гидроразрыва в скважину нагнетают разупрочн ющие растворы в совокупности с вибровоздействи ми в диапазоне 60-1500 Гц, привод т локальный участок горного массива в возбужденное состо ние, причем вибровоз- действи  осуществл ют в течение времени, при котором произойдет смена деформаций сжати  деформаци ми раст жени , что соответствует достижению оптимальной проницаемости пород в массиве, после чего переход т на частоту вибровоздействи , равную частоте собственных колебаний горного массива, и осуществл ют их в течение времени, при котором напр жени  в упругой знакопеременной волне не достигнут значений, равных не менее геостатического давлени  от веса вышележащих пород, после чего переход т на частоту вибровоздей- .стви , равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости, нагнетаемой гидроимпульсатором, т.е. гидроразрыв осуществл ют в резонансном режиме и вибровоздействи  осуществл ют в несколько этапов: вначале в диапазоне 60-1500 Гц с учетом структурных особенностей горного массива.

При скорости Р-волн в массиве 3000 м/с и длинах волн от 2 до 50 м неоднородности, слагающие массив (их размеры наход тс  в пределах от 2 до 50 м), сопоставимы с длинами волн, что  вл етс  одним из условий волнового подоби  (взаимодействи  волны с неоднородностью). Если длина волны соизмерима с размерами неоднородности или меньше ее, то взаимодействие упругой волны позвол ет раскачать локальный участок горного массива и привести в возбужденное состо ние дл  повышени  гидро- и аэродинамических свойств пород и повышени  проницаемости пород в массиве .

Дл  того, чтобы облегчить эту работу приведени  локального участка горного массива в возбужденное состо ние, нагнетают в совокупности с вибровоздействи ми в пласт разупрочн ющие растворы, содержащие ПАВ, причем ПАВ выполн ют работу сил расширени , и делают поры и трещины пород сообщающимис , т.е. увеличивают проницаемость горного массива и при смене деформаций сжати  деформаци ми раст жени , достигают оптимальной проницаемости горного массива, например , дл  скальных пород проницаемость. при обычных услови х равна  0.02 МДарси,

возрастает при вибропоздействи х от 4,6 до 7,8 МДарси, Затем переход т на частоту вибровоздействи , равную частоте собственных колебаний горного массива, и осу5 ществл ют вибровоздействи  в течение времени, при котором напр жени  в упругой знакопеременной волне не достигнут геостатического от веса вышележащих пород , после чего вибровоздействи  прекра10 щают. переход т на частоту нагнетаний рабочей жидкости в скважину и вибровоздействи  осуществл ют в резонансном режиме до тех пор. пока не произойдет гидроразрыв и не по витс  магистральна 

15 трещина.

Дл  избежани  динамических про влений , горного давлени  до. во врем  и после вибровоздействи  осуществл ют контроль .за напр женно-деформированным состо 0 нием пород в массиве в совокупности с контролемтрещинотрыва сейсмоакустическими методами исследований или с помощью электрокаротажа.

Дл  разупрочнени  горных пород во

5 врем  гидроразрыва в совокупности с вибровоздействи ми в зависимости от типа пород используют смесь 1%-ного раствора карбамида и 2%-ного раствора сульфосали- циловой кислоты или гор чие растворы гйд0 роокиси натри  или гидроокиси натри  с метанолом или низкотемпературных хладо- агентов с термодинамическим воздействием , причем, предел прочности отрыва пород под действием приложенных нагрузок опре5 дел ют из выражени  МСм -(Кп/л), вз в за критерий распространени  трещин в горном массиве соотношение N ((Кп)/ л} где Кп - модуль сцеплени  горных пород.

Дл  упругопластических и пористых по0 род пластическа  деформаци .приводит к уменьшению местных напр жений, л радиус разгрузки горного давлени  выбирают из 4 соотношени 

5 гго.б,),

где рв удельный вес вышележащих пород; - , -

р --удельный вес жидкости: Н - глубина залегани  пласта, м; 0 Кп - предел прочности при сдвиге.

При уменьшении глубины залегани  пласта и увеличении Кп, как видно из форму- лы. область разгрузки резко уменьшаетс , и наоборот. Дл  глубин 200-400 м радиус зо- 5 ны разгрузки невелик и практически имеет один и тот же пор док с радиусом скважины, следовательно, пластическа  деформаци  в этом случае несущественна. Сущность изобретени  состоит в том, что под воздействи ./

/

ем мощных вибрационных нагрузок в горных породах имеет место миграци  флюидов-жидкостей и газов, содержащихс  в порах и трещинах Это приводит к изменению порового давлени  и. как следствие, к 5 изменению прочностных свойств горных пород, окружающих эти поры и трещины, т.е. к перераспределению пол  упругих напр жений на пути мигрирующих флюидов. Это  вление назвали упругим миграцитным 10 геоэффектом. Он имеет место в любых диапазонах частот - от герц до мегагерц. Под воздействием упругих волн миграци  флюидов происходит в сотни и тыс чи раз быстрее , чем в отсутствие упругих волн.15

Размещение источников по предлагаемому способу позвол ет;

создать оптимальные услови  дл  возбуждени  упругих волн в выбранном диапа- зоне частот;20

управл ть состо нием и свойствами пород в массиве;

повысить проницаемость горных пород и увеличить гидро- и аэродинамические свойства горного массива, а следовательно, 25 например, при добыче нефти и газа повы- сить их дебит (извлечение) из скважины;

повысить эффективность гидроразрыва - снизить прочность пород при отрыве и увеличить более чем на пор док площадь 30 гидроразрыва.

Пример. Прочность пород на глубине 420 м составл ет 660 кг/см .

Дл  приведени  горного массива в возбужденное состо ние используют четыре 35 источника Пилон-1 с параметрами: давление в источнике 100 кг/см2; объем камеры давлени  в источнике 10 дм3; глубина размещени  источника 10м.

По формуле (1) определ ют амплитуду 40 давлени  в волне АНпи 6.110 кг/см2 и дл  того, чтобы развить давление в упругой волне не менее геостатического, нужно совершить N (660 кг/см2)/(6.1 кг/см2) 1,1-104 вибровоздействий, и, воздействи  45 таким давлением на горный массив, нагнетают в породы разупрочн ющие растворы. При смене деформаций сжати  деформаци ми раст жение переход т дл  скальных пород на частоту вибровоздействи  200-400 50 м Гц и воздействуют ею в течение времени, при котором давление в волне не достигнет геостатического, после чего вибровоздействи  осуществл ют на частоте нагнетани  рд- бочей жидкости в скважину, Прочность 55 пород за счет нагнетани  ПАВ и виброобрл- ботки снижаетс  на 20-40% по сравнению со случаем, когда виброобработка не осуществл етс , и площадь гидроразрыва увеличи ро

по ег ми во ра сн

то пр по ро ма на че ви с   ст сн по зо ди де но щ ко пр ны ро зн ни че ну че

те не

а п да вы

гд пе

ск

по

м

чиваетс  от 1.7 до 3.9 раз дл  скальных пород .

Использование изобретени  позволит повысить эффективность способа, улучшить его параметры по сравнению с классическими способами без использовани  вибровоздействий , что значительно сокращает расходы электроэнергии и материалов и снижает врем  проведени  эксперимента.

Claims (6)

1.Способ гидроразрывз пласта, при ко- тором определ ют направлени  главных напр жений в породном массиве с последующим созданием трещин, ориентированных в направлении действи  минимального главного напр жени  путем нагнетани  в скважину под давлением рабо- чей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействи  на пласт, отличэющий- с   тем, что, с целью повышени  эффективности способа, вибровоздействие осуществл ют сначала путем приведени  массива горных пород в колебательное состо ние в диапазоне 60-1500 Гц в течение времени, необходимого дл  смены деформаций сжати  деформаци ми раст жени  и одновременного нагнетани  в скважину разупрочн ю- щих растворов, затем провод т колебательный процесс горного массива при частоте, равной частоте его собственных колебаний в течение времени, при котором напр жени  в упругой волне достигнут значений не менее геостатического давлени  от массы вышележащих пород, после чего переход т на частоту воздействи , равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости.

2.Способ по п. Отличающийс  тем, что амплитуду давлени  в упругой волне определ ют из выражени 

A NH™ N 0,015 (PMV)1/3/R, а по вл ющеес  при этом знакопеременное давление в упругой волне определ ют из выражени 

Р Ро + А Сра) cos (tot -X/C). где N - количество виброисточника в группе , шт;

PU - давление в источнике, кг/см ;

V-объем камеры давлени  в источнике.

м

R - глубина размещени  источника в скважине, м;

Ро - геостатическое давление, кг/см :

А1 Мили - амплитуда давлени  в первой полуволне;

С - скорость упругой волны, м/с: р- плотность среды, кг/м ;

о) -частота колебаний, 1/с:

t - врем , с;

Х-путь, проходимый упругой волной, м.

3.Способ по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с   тем, что при Егибровоздейгтеи х на пласт осуществл ют регистрацию сейсмоакусти- ческих колебаний.

4.Способ по п. 1,отличающийс  тем, что в качестве разупрочн ющих растворов используют смесь 1%-ного раствора карбамида и 2%-ного раствора сульфосали- циловой кислоты, или гор чие растворы гидроокиси натри  и гидроокиси натри  с метанолом, или низкотемпературные хладо- агенты с термодинамическим воздействием .

5.Способ по п. 1,отличающийс  тем. что предел прочности отрыва горных пород под действием приложенных нагрузок определ ют из выражени 

NCM (Кп/л).

0

причем критерий распространени  трещин в горном массиве выбирают из выражени 

No (Кп /л), где Кп - модуль сцеплени  горных пород.

6. Способ по п. 1,отличающийс  тем, что радиус области разгрузки горного давлени  вследствие пластической деформации дл  упругопластических и пористых пород выбирают из выражени 

(p-AQH 1 ,

2 Kn J

где ро -удельный вес вышележащих пород. vA

г 0,61 ехр

кг/м

5 КГ/м:

р - удельный вес жидкости (воды),

Н - глубина залегани  пласта, м; Кп - предел текучести при сдвиге.