SU874997A1 - Способ гидравлического разрыва горных пород - Google Patents

Description

(64) СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ГОРНЫХ .ПОРОД

I

Изобретение относитс  к горному делу-и строительству подземных сооружений и может примен тьс  дл  достижени  гидравлического разрыва с об-; разованием закрепленных и полых трещин в кристаллических массивах или напластовани х твердых, в частности, мерзлых льдонасыщенных горных пород при необходимости последующего использовани  созданных трещин в качестве путей движени  потоков жидкости или газа, например, дл  конвективного переноса тепла от гор чих горных пород к скважине или от скважины к мерзлым горным породам, в качеству ослабленной или свободной поверхности при разрушении горных пород и в других случа х.

Известен способ гидравлического разрыва горньк пород, основанный на нагнетании жидкости в горные породы с образованием в них трещины гидравлического разрыва и последующем переносе в трещину взвешенного зернистого закрепл ющего материала с определенной концентрацией - от 0,01 до 0,59 г/см , после чего требуетс  0,1-50 ч поддерживать в скважине и трещине высокое давление.

Способ предусматривает использование определенных составов и гранулог;. метрических характеристик зернистого материала, обеспечивающих расположение зерен в несколько слоев flj10

Недостатком известного способа  вл етс  невозможность достижени  необходимой ширины трещины и сохранение ее во врем  нагнетани  посто нного положени  границы площади

IS распространени  закрепл ющего сло  с получением за контуром этой площади части трещины, сохранившейс  в полом состо нии.

Известен способ гидравлического

20 разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетани  в разрьшаемую зону жидкости под давлением и последующую закачку в эту зону отверждающегос  вещества .2 J. Однако при известном способе формирующа с  трещина имеет недостаточную ширину, а пола  часть трещины отсутствует.. Цель изобретени  - увеличение ширины формирующейс  трещины и сохранение части трещины в полом состо Поставленна  цель достигаетс  тем, что в качестве отверждающегос  вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждени  ко торого вьше температуры горных пород , причем расход потока расплавленного вещества определ етс , исход  из зависимости ( 4()(уТ,)( )F JV- о W - объемный расход расплавлен ,ного вещества, С-ул-Су - коэффициент тепловой актив - нрсти горных пород; Дж/(м град.с-V; JL- коэффициент тепловодности горных пород, Вт/(м -град с - удельна  теплоемкость горных пород, Дж/(кг. град, - плотность горных пород, Тп температура отверашени  л расплавленного вещества, Т,- температура горных., по род,-С; и Сь. - отсчеты .времени от начала нагревани  пород расплавле ным веществом, с; г - необходима  площадь распр делени  расплавленного вещ ства в трещине, м ч - количество тепла отверждени  единицы объема расплавленного вещества, Дж/м . Кроме того, с целью увеличени  .прот женности формирующейс  трещины закачку расплавленного вещества чер дуют е закачкой неотверждающейс  жид кости. Причем в качестве расплавленного вещества закачивают нитрат натри  ил парафин или нитрит натри . При разрыве горных пород с темаературой ниже О С в качестве расплавленного ве щества закачивают воду. В предлагаемом способе через про гретую скважину в сформированную путем закачки жидкости под давлением трещину в горных породах, имеющих температуру Ъ , закачивают в расплавленном состо нии с температурой Tg. вещество, температура отверждени  которого TJj вьше температуры горных пород, пересеченных трещиной. Таким веществом в случае горных пород с температурой вьше может быть, например, нитрат натри  или парафин, или нитрит натри . А дл  горных пород с температурой ниже О С - вода. Нагнетание указанного расплавленного вещества исключает операцию переноса взвешенного в жидкости зернистого материала дл  .закреплени  по известному способу. В трещине образуетс  радиально расход щийс  от скважины поток распавленного вещества, который по мере отдачи тепла в горные породы охлаждаетс  на некотором рассто нии Х. до температуры Тр и начинает отвердевать, наслаива сь на обеих стенках трещины в качестве креплени . Между наслоени ми в трещине движетс  остальна  частА потока рас плавленного вещества с температурой Тф, причем расход этого потока уменьшаетс , и на рассто нии Х достигнет нул . Здесь образуетс  внешний контур площади наслоени  отвердевшего вещества. На пути от.Х. до Х расплавленное вещество, име  температуру 1, не вызывает проплавлёни  в ранее отвердевшем слое каналов. Такие каналы при закреплении трещины по известному способу ограничивали бы возможность поддержани  давлени , достаточного дл  дальнейшего расширени  трещины и наращивани  толщины сло  зернистого материала, подверженного размыву. В трещине между наслоени ми отвердевшего вещества сохран етс  и возобновл етс  щелевидна  полость, проницаемость которой достаточна дл  продолжени  непрерывного или периодического нагнетани , с давлением, обеспечивающим дальнейшее расширение трещины и одновременное увеличение толщины наслоени  отвердевшего вещества, за- . крепл ющего трещину. Во- врем ,нагнетани  постепенно уменьшают расход расплавленного вещества в режиме, при котором согласно указанной формуле теплоотдача изотермически отвердевающего вещества равна кондуктивному потоку тепла в массивы горных пород на посто нной площади. Плотность потока тепла в каждый из дву полуограниченных массивов горных по род, разделенных трещиной, вычисл ют в среднем за последовательные конечные промежутки времени по известной теплофизической зависимости 4 )(, ), где С)/ - удвоенна  средн   плотност потока тепла в полуограниченный массив горных пород за промежуток времени CZL.r л- / ПТ1 -trM) - коэффициент тепловой актив ности пород;, (м ГРАДС/2;, коэффициент теплопроводности пород, Вт(.м.град); удельна  -теплоемкость пород Дж/(кг.град); Ц - объемный вес пород, кг/м J отсчеты времени от начала нагревани  пород расплавле ным веществом, с. Площадь растекани  расплавленног вещества от скважины до контура на.чала отвердевани  F.  озможно, при необходимости, определить по форму- -Q-t где q qjptCV) удельна  теплоемкость расплавленного вещества, Дж/(кг- град); объемный вес |этого вещества , кг/м. Таким образом, расход потока рас плавленного вещества определ етс ;, исход  из зависимости ( 4 g /т)СТо-Т,HCn -УРи,) . Q где W - объемный расход расплав , ленного вещества, мЗ/с; l/Xcy- коэффициент тепловой акт ности горных пород, ДжД град.с ); , Я. - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/( град); С- удельна  теплоемкости го ных пЪрод, Дж/(кг-град ; у- плотность горных породj отверждени  рас- , температура вещества, С; плавленного температура горных пород. С отсчеты времени от начала нагревани  пород расплавленным веществом, с; необходима  площадь распростран ни  расплавленного вещества в трещине, м ; Q - количество тепла отвержде , ни  единицы объема расплавленного вещества, Дж/м. Периодическое поочередное нагнетание в скважину расплавленного вещества и неотвердевающей  оадкости вьшолн ют с соблюдением следующих требований . Объем неотвердевающай жидкости , поданной за один полупериод в скважину, больше объема нагнетательных труб. Температура неотвердевающей зшдкости, нагнетаемой з,а один полупериод, больше объема закаыанного в предащуздем полупериоде расплавленного вещества. Нагнетание неотвердевающей жидкости продолжают до спада давлени , как признака увеличени  радиуса и площади распространени  трепщн гидравлического разрыва. Нарастани максимального давлени  нагнетаемой неотвердевающей жидкости в каж- . дом следующем периоде - признак продолжающегос  расширени  трещины и наслаивающегос  отвердевающего веще-, ства, а резкое снижение давлени  гризнак по влений новой трещины гид- , равлического. разрыва, не параллельной ранее образованной. Между периодами нагнетани  допустимы перерывы на понижени  температуры гор- ных пород, окружакицих трещину. На фиг. 1 изображена трещина гидравлического разрыва, разрез по par диальному направлению} на фиг. 2то же, вид в плане. Трещина 1 в горных породах 2 простираетс  вокруг буровой скважины 3 до своей границы 4. В трещине 1 находитс  закрепл ющий ее слой отвердевшего расплавленного вещества 5, а в .периферической части между контуром б и трещиной сохран етс  полость 7, которую возможно использовать в качестве -пути движени  потока флюида, например, воды теплоносител . Вокруг скважиньт также сохран етс  часть трещины, не запол-. ненна  отвердевщим веществом. Слой закрепл ющего трещину отвердевшего вещества 5 распростран етс  не

зависимо от наклона трещины в преде лах кольцеобразной площади. Его внуренний контур 8 отделен от скважины рассто нием, которое зависит от режима расхода и температуры процесса нагнетани . Отвердевший расплав заполн ет также пересеченные искусственной трещиной i естественные поры и трещины 9 в горных породах прегражда  фильтрационные утечки. На фиг. 1 и 2 пунктиром показано веро тное расположение новых трещин 10 и 11 гидравлического разрыва, воникающих после изменени  напр женного состо ни  горных пород, сжатых вследствие расширени  и закреплени  трещины 1.

Дл  осуществлени  способа требуютс  известные технические средства На поверхности необходим сосуд-нагреватель дл  подготовки расплавленного вещества, соединенный с напорным баллоном, из которого поступающие порции расплавленного вещества вытесн ютс  в скважину неотверде;вающей жидкостью. Необходима термоизол ци  оборудовани  и нагнетательной трубы. В скважине необходима труба дл  предварительного нагревани  стенок.

ГГримером использовани  предлагаемого способа  вл етс  проектна  схема образовани  польпс трещин, вход щих в систему, предназначенную дл  нагревани  воды горными породами в теплофикационных цел х. Температура гранита на глубине расположени  трещин Т. равна 150 С. Через скважину известными операци ми выполн ют первый гидравлический разрыв с использованием воды. Затем скважину прогревают до температуры 280 С и нагнетают дл  продолжени  гидравлического разрыва расплавленную смесь нитрата (.50%) и нитрита натри  с температурой Т2 равной 270°С. Температура отвердевани  этого расплавленного вещества Т,

в Р

O

на . Таким образом, в данном случае Т на 100 С вьп е Xf . разность незначительна. Требуетс  образовать в трещине слой отвердевшей смеси нитрата и нитрита натри  шириной О, 15 м и на площади 500 м с тем, чтобы вокруг внешнего контура, которого около 17 м, образовалась незаполненна  креплением кольцеобразна  часть треидины, в которой будет циркулировать вода - теплоноситель . Необходимый объем отвердевшего вещества составл ет 75 м . Дп  данных условий режим расхода N нагнетаемой смеси расплавленного нитрата и нитрита натри  .определ етс  путем вычислени  сначала значений плотности потока тепла q в гранит по известной формуле дл  промежутков времени по О,1 ч за первый час, и по одному часу за последующее врем . Найденные значени  q, известные значени  площади F (500м) и теплоты отвердевани  расплавленного вещества (60 ккал/м) позвол ют по предложенной формуле вычислить объемный

расход дл  р да последовательных промежутков времени, вз тых при вычисле нии значений q. По нарастающему итогу С5т мируемых объемов закаченного расплавленного вещества находитс  продолжительность нагнетани  75 м зтого вещества. В данном случае она равна 6 ч. Найденные значени  расхода измен ютс  от 118 м /ч в течение первого периода 0,1 ч (6 мин, 39,3 следующие 0,1 ч и т.д. до 15,0 в конце первого часа, в течение последнего , 6-го часа, расход составл ет 7,6 MV4. Площадь полой периферической части трещины гидравлического разрьта вокруг внешнего контура ее заполненной части, где ширина достигает 0,15 м, составит около 1000 м. При указанной ширине полой части трещины веро тно образование опер ющих трещин по мере охлаждени  и деформации гранита, что обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.

Предложенный способ гидравлического разрыва экспериментально проверен в вечномерзлых льдонасьш енных гравийно-галечных и супесчаных породах с температурой -9 С. В качестве расплава отвердевающего вещества через скважину нагнетают пресную воду, отвердевающую при О С. Вода поступает в породы на глубине 5м. При первом приеме нагнетани  за одну минуту давление достигает 12 МН/м и

в образовавшуюс  трещину шириной 3 мм поступает 0,12 м- воды. Трещина горизонтальна ,, но имеет вертикальные ответвлени , по которым начинаетс  выход воды на дневную поверхность.

Claims (2)

1. 5 .После 19-часового перерыва возобновл ют нагнетание воды с максимальным давлением I1 МН/м и объемом закаченной воды 0,18 м. Ширина трещины увеличиваетс  на 3 мм и отмечен прирост площади ее распространени , но вepтиkaльныx трещин больше не по вл етс , а прежние остаютс  запол ненными льдом. Далее , в течение 250 нагнетают воду через ту.же скважину 70 раз по 1-6 мин, а в сумме 180 мин в результате чего ширина горизонталь ной трещины, заполненной льдом, возросла до 18 мм на площади 1400 м. Таким образом, подтверждена возможность увеличени  ширины и изменени  направлени  трещины при повторных нагнетани х. Две. группы скважины, в 11 м друг от друга, используют дл  нагнетани  0,2 м воды в режиме, обеспечивающем замерзание льда в трещине гидравлического разрыва на площади с радиусом внешнего контура 3 м от каждрй скважины. Ширина горизонтальной трещины достигает 0,004 м на площади 180 м , хот  лед ное наслоение распространилось только на площадь 50 м . Следовательно, на площади 130 м , за контуром лед ного заполнени  трещина осталась полой, что предусматривалось при испытании спЬсоба . , Технико-экономическа  эффективност предлагаемого способа видна при срав нении результатов образовани  трещин гидравлического разрыва в качестве путей движени  потока жидкости-теплоносители между двум  скважинами. При известном способе образующа с  трещина имеет ширину около 0,005 м и заполнена зернистым материалом, допускающим только фильтрацию. Предлагаемым способом возможно образоват полые части трещин с щириной до 0,015 м и более, в которых поток жид кости испытывает на два-три пор дка меньшее гидравлическое сопротивление , что делает эксплуатацию дешевле . Обеспечение возможности образовани  полых, несомкнутых участков тре щин дл  движени  жидкого теплоносите л  в системах искусственной проницаемости дл  испохшзовани  тепловой энергии горных пород позволит во мно гих случа х пользоватьс  гидравличес ким разрывом по предлагаемому способу взамен подземных  дерных взрывов дл  разрушени  пород. В случае , применени  предлагаемого способа гидравлического разрыва на разрабртках вечномерзлых горных пород с применением взрывов подготовка полых или льдонаполненных трещин поз.волит уменьшить объем и стоимость буро-взрывных работ. Формула изобретени  1. Способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрьша горных пород путем нагнетани  в разрьгоаемую зону жидкости под давлением и последукщую закачку в эт-у зону отверждающегос  вещества , отличающийс  тем, что, с целью увеличени  ширины формирующейс  трещины и сохранени  части трещины в полом состо нии, в качестве отверждающегос  вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждени  которого вьш1е тем- пературы горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определ етс , исход  из зависимости ( 4e(-v)CTo-T,)H€t;7;--)p где ,V/ - объемный расход расплавленного вещества, м/с; -5.-V/LCj. кйэффициент тепловой активности горных пород Дж/См ,. град.с19; л - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(МГрад ; с - удельна  теплоемкость горных пород, Дж/ кг-град); плотность горных пород, кг/му температура отверждени  расплавленного вещества. С; температура горных пород, °С; отсчеты времени от начала нагревани  породы расплавленным веществом, с; необходима  площадь распространени  расплавленного вещества в трещине. Q - количество тепла отверждени  единицы объема расплавленного вещества, Дж/мЛ 2.Способ по п. Г, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  прот женности формирующейс  трещины, закачку расплавленного вещества чередуют с закачкой неотверждающейс  жидкости. 3.Способ попп. 1и2, отличающийс  тем, что в качестве расплавленного вещества закачивают 1 1 нитрат натри  или парафинили нитрит натри . 4. Способ по пп. и 2, отличающийс  тем, что при разрыва горных пород с температурой ниже О С, в качеств.е расплавленного вещества закачивают воду. 7А997 Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США. № 3888311, 5 кл. 166-280, опублик. 1975.
2. 2.Патент США № 3537529, кл. 1.66-271, опублик. 1970 (прототип).

   1Г