УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА Российский патент 1994 года по МПК E21B43/26 

Изобретение относится к области горного дела, преимущественно к геотехнологическим способам добычи полезных ископаемых, и может быть использовано при создании геотермальных циркуляционных систем в малопроницаемых породах.

Известен способ дробления или разрыва предметов с высоким механическим сопротивлением (патент N 2255574, кл. F 42 D 3/00, 1960), который предусматривает создание отверстия в разрываемом предмете, заполненного водой. С помощью теплообменного устройства вода охлаждается (доводится до твердого состояния) или нагревается и за счет увеличения своего объема разрушает или разрывает исследуемый объект. Недостатком является низкая эффективность.

Цель изобретения - повышение эффективности путем сокращения времени проведения гидравлического разрыва, снижение затрат путем создания трещин заданной ориентации в горных породах на большой глубине независимо от их проницаемости.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Схема, представленная на фиг. 1, содержит скважину 1, затрубное пространство 2, цилиндрический стальной баллон; рабочую камеру 4 запального устройства; рабочую камеру 5 гранулированной смесью; рабочую камеру 6, заполненную водой; конусную резьбу 7; ослабление 8 (надсечка).

Способ осуществляют следующим образом.

С поверхности бурят скважину 1 до горизонта гидроразрыва, обсаживают трубами до уровня, где предполагается создание трещины, и цементируют затрубное пpостpан- ство.

На поверхности собирают баллон 3, который состоит из трех рабочих камер. Верхняя камера 4 предназначена для запального устройства, содержащего временные замедлители стандартного типа, используемые в военной промышленности или во взрывном деле; смесь запального устройства может состоять из любого топлива, например селитры и угля, в соотношении 7: 3 соответственно.

Среднюю камеру 5 заполняют горячей смесью, состоящей из гранулированной смеси (диаметром 3-5 мм) аммиачной селитры и каменного угля в соотношении 7: 3, нижнюю камеру 6 заполняют водой. Все три рабочих камеры соединяют резьбовым соединением в единый баллон, который имеет в верхней части конусную стандартную резьбу 7 бурового инструмента для спуска и извлечения отработанного баллона (после гидроразрыва). Собранный баллон опускают до уровня гидроразрыва на буровом инструменте, ориентируют в пространстве, инициируют горение в камере 4, далее вследствие высокой температуры в камере 4 прогревается стенка камеры 5, что способствует воспламенению гранулированной смеси в герметичной камере 5.

Сгорание гранулированной смеси повышает давление в камере 5, передает его на воду и расклинивает патрон на заданном уровне и при превышении сил горного давления и прочности патрона в месте выполненной надсечки 8 происходит разрыв горных пород в заданном направлении.

Вода в камере 6 необходима для увеличения сопротивления горных пород с высокой естественной пористостью при проявлении газогидродинамического эффекта, так как вязкость воды в 50-100 раз выше чем у газов, что способствует гидроразрыву массива.

Для достижения необходимого (размеров) пролета трещины возможно многократное повторение гидроразрыва.

Соотношение селитры и угля 7: 3 в смеси выбрано из условия реакции окисления с максимальным выделением газов (нулевой кислородный баланс) для достижения высокого давления в рабочей камере.

Равенство объемов средней и нижней камер обусловлено формулой
Р_ог = P₁, где V₂ = V₃
Из этого уравнения видно, что с увеличением объема V₃ снижается давление газов Р_ог, а это в свою очередь снижает эффективность гидроразрыва.

Выбор объема запальной камеры (верхней) V₁ = 0,2 V₂ выбран из расчета достаточной температуры Т_р воспламенения гранулированной смеси.

Ослабление на стенке баллона глубиной не менее 1 мм выбрано из соображения, что предел прочности на разрыв для стали в диапазоне толщины стенки 2-14 мм (размеры применяемые в практике бурения для обсадных труб) изменяется от 50 до 10% при использовании толщины стенки более 14 мм с надрезом в 1 мм практически не изменяет предельного значения силы разрыва. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что при толщине свыше 14 мм надрез не вносит ощутимого влияния на силу разрыва образцов.

Применение предлагаемого способа позволит достичь следующих преимуществ по прототипу:
1. Сократит время проведения гидравлического разрыва.

2. Упростит технологические схемы осуществления гидроразрыва вследствие отсутствия подводимых коммуникаций, рассчи- танных на высокие давления.

3. Отпадает необходимость в дорогостоящих насосах марки АН-700 и энергозатратах на нагнетание воды.

4. Позволит производить разрыв практически всех типов горных пород, так как давление в патроне достигает 200 МПа.

5. Отсутствуют сложные конструктивные элементы в скважине и коммуникации, по которым осуществляется нагнетание рабочих жидкостей.

6. Создание гидpоpазpыва горных пород с любой естественной проницаемостью независимо от глубины.

7. Повышается безопасность проведения работ по созданию трещины в массиве горных пород.

8. Позволяет создать трещину заданной ориентации в пространстве и определенных размеров.

Изобретение позволяет повысить эффективность гидравлического разрыва за счет создания трещин заданной ориентации в горных породах за счет того, что спускаемый на трубах цилиндрический баллон выполнен многокамерным: верхняя камера заполнена горючей смесью, средняя - твердотопливной смесью и нижняя - водой, причем объемы средней и нижней камер равны, а ослабленный участок выполнен в виде продольной насечки на нижней камере глубиной не менее 1 мм, треугольной формы, вершина которого направлена по радиусу к центру цилиндрического баллона. Гранулированная смесь состоит из аммиачной селитры и угля в соотношении 7 : 3 соответственно, а объем верхней камеры должен быть больше или равен 0,2 объема средней камеры, при этом длина камеры с ослаблением, содержащая воду, должна быть больше или равна диаметру скважины. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА, содержащее спускаемый на трубах цилиндрический стальной баллон с ослабленным участком на его боковой поверхности, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности гидроразрыва за счет создания трещины в горных породах заданной ориентации, цилиндрический баллон выполнен многокамерным, причем верхняя камера заполнена горючей смесью, средняя - твердотопливной смесью аммиачной селитры и угля в соотношении 7 : 3 соответственно, а нижняя заполнена водой, причем объемы средней и нижней камер равны, а объем верхней камеры больше или равен 0,2 объема средней камеры, при этом ослабленный участок выполнен в виде продольной насечки на нижней камере глубиной не менее 1 мм, треугольной формы, вершина которого направлена по радиусу к центру цилиндрического баллона.