Способ оценки напряженного состояния горных пород Советский патент 1986 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горне промышленности, в частности к оценке напряженного состояния массива горных пород.

Цель изобретения повьшение производительности способа и точности оценки напряженного состояния горных пород.

На чертеже схематически изображены взаимные ортогональные измерительные скваямны, пробуренные в породе од- ной литологической разности, например песчанике, из тупиковой горной выработки или ниши.

Способ -всуществляют следзпощим образом.

В исследуемом участке породного массива из горнрй выработки 1 бурят взаимно ортогональные измерительные скважины 2-4 длиной, обеспечивакяцей расположение нагнетательных камер в пароде одной литологической разности Учитывай, что одна из компонент поля напряжений всегда ориентирована в направлении, близком к вертикальному (относительно земной поверхности), первой бурят вертикальнз скважину 2, герметизируют в ее торцовой части нагнетательнуда камеру 5 заданной длины (но не менее трех диаметров скважины) , создавая в герметизаторе 6 распорное давление (Р. }, обеспечива- ннцее надежную герметизацию. При, помощи высокриаггорногр насоса в камеру 5 в режиме 1-2 МПа/с нагнетают жидкость, фиксируя по манометрам величину критического давления рабочей жидкости (Pj)) 8 момент, гйдроразры- ва и последующую стабилизацию давле/« ст

НИН (FIJ,,).

Индекс в скобках означает направление продольной оси измерительной ск важины.

;.

После измерения параметров гидроразрыва в вертикальной скважине 2 ее разгерметизирует и инстр5™енталь- но (например, при помощи оптического устройства) определяют ориентацию плоскости гидроразрыва, которая при Неравенстве горизонтальных ко йпонент поля напряжений соответствует направлению большей из них.

Затем бурят две горизонтальные измерительные скважины 3 и 4 - одну параллельно направлению плоскости гидроразрыва, а вторую ортогонально ей. При помощи распорных герметизаторов 7 и 8 с величиной распорного

давления, равной принятой при гидроразрыве в вертикальной скважине, в - торцовых частях горизонтальных скважин 3 и 4 герметизируют одинаковые

по объему нагнетательные камеры 9 и 10 принятой длины, осуществляют циклы гидравлических разрывов нагнетанием рабочей жидкости с указанным постоянным темпом и фнкскруют соответсТвзтопще параметры гидроразрыва РК Р Ц:-г После разгерметизации и измерения пространственной ориентации трещин гидроразрыва записывают . для каждой скважины в соответствии

5 с теорией гидроразрыва с учетом влияния распорньпс герметизаторов систему уравнений

Р ЗБз - 6, + Р - Р„ -Ч-РГ ,

&з Р .(1)

0 где 6, и 5д - соответственно большая

и меньщая компоненты поля напряжений в плоскости, ортогональной продольной оси сква 5яйнн;

Р - предел сопроти8ле:ния

породы гидроразрыву при отсутствии внешней нагрузки; 0 РО поровое давление;

Р - распорное давление в

герметизаторе; - коэффициент передачи

распорного давления на стенки скважины; Р - давление стабилизации. Примем для примера, что породный массив находится в разнокомпонентном поле сжимающих напряжений вида

0 . v г

Тогда сигласно (1) для трех указанных измерительных скважин можно записать следующую систему уравнений:

. . 1Ж,

5

5

« 3G, -0 + р« - 1 -ч-р;..

(л)

G« - Р() .

Pfzl (2)

35, - &, -f Р - Р , ,

fz, , (3) ЗС -G, -f Р, -м Р,

л - р

v (Z)

Г

Р;У) . ()

Из формул критических давлений, входящих в систему (2)-(4), видно, что правые части, содержание разные по величине компоненты поля напряжений, включают Р, Р„ иУР , числен55

ные равенства которых обеспечиваются заданным пространственным расположением нагнетательных , величиной распорного давления в герметизаторах и режимом нагнетания.

Путем вычитания иэ уравнений (2) уравнения (3) получим

-Рт . .

или

. ,. -

N1 . ) Таким образом, при разнокомпонентном поле напряжений большая компонента С,

(М

(5)

ройства РВП-456 определяют простран ственную ориентацию вертикальной плоскости гидроразрьгеа, характеризу ющую направление большей горизонталь 5 ной компоненты поля напряжений. Азимут направления плоскости гидроразрыва составляет 30°.

Измерительные скважины 3-4 бурят горизонтально соответственно в на- определяется по разности критических давлений и величине ста.- Ю правлении и ортогонально вертикальбилизированных давлений рабочей жидкости во взаимно ортогональных измерительных скважинах. При зтом в отличие от прототипа нет необходимости в определении параметров, Р, 1 и внесении поправок на влияние распорного давления герметизатора.

Численные значения меньшей и промежуточной компонент напряжений оценивают по соответствующим давлениям стабилизации и пространственной ориентации треецан гидроразрыва во взаимно ортогональных измерительных скважинах.

Айалогично получают расчетную за- 25 РВП-456 определяют, что плоскость

висимость для определения большей компоненты поля напряжений при любом другом виде напряженного состояния массива горных пород.

П р и м е р. Из горизонтальной горной выработки 1 бурят взаимно ортогональные изь4ерительные скважины 2-4 диаметром 46 мм и длиной по tO м каждая, располагая.их в песчанике. Первой бурят вертикальную скважину 2. В торцовой ее части при помощи распорного герметизатора и высоконапорного насоса НР-0,1 герметизируют нагнетательную камеру длиной 0,2 м. Распорное давление для обеспечения надежной гериетизации камеры создают равнЕлм 35 МПа. Затем в нагнетательную камеру в режиме 1 МПа/с закачивают рабочую жидкость, фиксируя по

манометру 1величину критического дав- личину определяют по разности критиления жидкости 32 МПа и после- дукедее стабилизированное давление

26 МПа.

После разгерметизации скважины в ней при помощи перископического устрйт

Тг)

ческих и стабилизированному давлению рабочей жидкости в соответствии с формулой (5)

6 - р Р

х (Х)

- 32 + 31 36 Ша.

ст (Vt

37

46244

ройства РВП-456 определяют пространственную ориентацию вертикальной плоскости гидроразрьгеа, характеризующую направление большей горизонталь- 5 ной компоненты поля напряжений. Азимут направления плоскости гидроразрыва составляет 30°.

Измерительные скважины 3-4 бурят горизонтально соответственно в наЮ правлении и ортогонально вертикальной плоскости гидроразрыва. В торцах каждой из скважин герметизируют нагнетательные камеры длиной 0,2 м, создавая при зтом в герметизаторах равные распорные давления по 35 МПа. Циклы гидравлических разрывов в этих скважинах вьтолняют с обеспечением постоянного режима нагнетания 1 МПа/с. Измеренные критические и стабилизированные давления составляют Р 37 МПа, P, 47 МПа, Р, 26 МПа

г /

, 31 МПа.

После -разгерметизации скважин при помощи перископического устройства

гидроразрыва в горизонтальной скважине, пробуренной по оси X, ориентирована вертикально, а в ортогональной ей скважине (по оси У) близка к горизонтали.

Сопоставляя величины стабилизированных давлений и пространственную ориентацию плоскостей гндроразрыва в горизонтальных скважинах, определяют, что меньшей компонентой поля напряжений является б., рЛ. 26 МПа. Промежуточной по величине компонентой поля напряжений является вертикальная составляющая, направленная по оси Z; P(J, в 31 МПа.

Большей компонентой поля напряжений является горизонтальная компонента, направленная по оси X. Ее веческих и стабилизированному давлению рабочей жидкости в соответствии с формулой (5)

6 - р Р

х (Х)

- 32 + 31 36 Ша.

ст (Vt

37

7

fifvionl-- f

8 №

Г 9

Редактор Е.Копча

Составитель Г.АлексееБа Техред Л.Сердюкова

Заказ 2963/41Тираж 470Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобрете1ршй и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор С.Шекмар