Способ гидравлического воздействия на массив Советский патент 1989 года по МПК E21F5/02 

I

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке в сложных горно-геологических условиях ппастов, склонных к динамическим явлениям и другим производственным опасностям.

Целью изобретения является повышение глубины и равномерности гидрообработки путем интенсификации процесса гидроударного роста глубоких магистральных трещин в массиве.

На фиг.1 изображен график колебания давления в скважине при гидроударе; на фиг.2 - схема расположения скважины.

Согласно предлагаемому способу производят бурение скважин, их герме тизацию, нагнетание в скважину жид- кости, создание в столбе жидкости давления, мгновенное периодическое перекрытие и затем открытие потока нагнетаемой жидкости, при этом начальную скорость потока и давления нагнетания жидкости определяют из необходимости создания амплитуды волны гидравлического удара, достаточной

Јь

ч1

СО

оэ V

со

31479679

для образования трещин,jЧастота перс

ко ли

крытия потока жидкости соответствует периоду образования повторной отраженной от задвижки волны гидравлического удара, а время срабатывания задвижки не превышает Лазы гидравлического удара в столбе жидкости до забоя скважины.

Кроме того, бурение скважины в плагт осуществляют в зоне нетронутого массива через вмещающие породы с заданным оптимальным углом наклона а забой скважины отделен от трубопровода гибкой эластичной оболочкой, которая позволяет нагнетать жидкость в пласт в стационарном режиме. Приче оболочка имеет запас свободного перемещения не меньше амплитуды перемещения полного гидравлического удара, воздействующего на пласт через скважину.

При рассмотрении механизма действия гидравлического удара на горный массив следует отметить, что как только лоб волны доходит до забоя скважины, в этом месте образуется и начинает двигаться в противоположную сторону отраженная отрицательная волна, и затем процесс повторяется. То есть у свободного конца скважины (у забоя) зарождается отраженная волна обратного знака, а у закрытого (у задвижки) зарождаются отраженные волны того же знака, что и прямые волны, подошедшие к этому концу скважины.

Время прохождения волны от задвижки до забоя равно

t0 ат + Lt)/c,

де LT и Тч

(1)

с 2t соответственно длина трубопровода от задвиж- д5 ки до скважины и длина скважины;

скорость движения ударной волны;

фаза гидравлического удара.

50

Полный период колебания давления в любой точке скважины равен четырехкратному времени пробега расстояния LT + Lc:

лбом волны

2(2tn) 4

LT+ Lc

(2)

5

0

5

0

5

График колебания гидромеханического давления в скважине при гидравлическом ударе приведен на фиг.1.

Таким образом, при использовании эффекта гидравлического удара на практике с целью повышения эффективности гидрообработки горного массива частота открытия-закрытия задвижки регулирования потока жидкости должна быть кратна времени движения лба ударной волны до забоя скважины и обратно, т.е. должна соответствовать величине n-2t0, где п - показатель кратности.

Для повышения эффективности гидрообработки горного массива с использованием энергии волн гидравлического удара следует, как известно, избегать изгибов в направлении движения и существенных изменений в сечении потока жидкости, поскольку последние Являются своеобразными демпферами, гасящими энергию волн. Поэтому скважины для нагнетания жидкости сооружают таким образом, чтобы их диаметр максимально приближался к внутреннему диаметру подающего жидкость трубопровода и располагают их (трубопровод от задвижки до забоя и скважину для нагнетания) по возможности на одной прямой линии.

При этом амплитуда давления волны гидроудара (Рио) не должна превышать статического давления нагнетания (Рсг) жидкости в пласт

(3)

В случае невыполнения условия (3) абсолютное давление у задвижки падает практически до нуля, жидкая колонна отрывается от задвижки, возникает кавитация и образуется паровая каверна. Это, в свою очередь, нарушает периодичность процесса, и характер изменения давления становится самозатухающим.

Важным моментом в механизме гидравлического удара, который может в значительной степени влиять на эффективность гидрообработки, является длительность перекрытия потока жидкости. Если время полного перекрытия (открытия) потока жидкости задвижкой обозначить t OK , то длина нарастания полного удара равна 1 пер . Прямой гидравлический удар имеет место лишь при условии

,... (А)

где 2t0 - фаза гидравлического удара При tjaK 2t0 возникает непрямой

гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от забоя, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полностью закрыта. При этом амплитуда волны гидроудара -становится значительно меньше, чем при прямом ударе за счет дифракции волн.

Следовательно, при использовании на практике эффекта гидравлического удара для повышения эффективности гидровоздействия целесообразно, чтобы время перекрытия-открытия потока жидкости (время срабатывания задвижк управления потоком) не превышало фазы гидравлического удара.

Известно, что в особо выбросо- опасных зонах бурение скважин в плас не всегда безопасно. Это необходимо учитывать при ведении горных работ. При обработке особо опасных массивов (с точки зрения развязывания газодинамических явлений) воздействие на призабойную часть пласта в зоне влияния забоя осуществляют через вмещающие пласт породы. Однако бурение скважин для воздействия на пласт через вмещающие породы следует осуществлять с учетом основных параметров их заложения. Эти параметры оказывают значительное влияние на эффективность и безопасность выполнени работ.

Угольный пласт в призабойной области имеет разупрочненную перемятую зону глубиной с н зону нетронутого массива на некотором расстоянии b от забоя (см.фиг. 2) .При сооружении скважины для гидрообработки пласта с целью повышения надежности герметизации для безопасности сооружения скважины и выполнения работ по гидрообработке пласта скважину бурят в пласт из забоя выработки через вмещающие породы. Причем важно, стобы скважина вошла в угольный пласт в зоне нетронутого массива. Параметры заложения этой скважины ограничиваются возможностью прорыва пробки вмещающих пород в перемятую угольную зону пласта волной гидроудара. Исходя из изложенного, оптимальный угол наклона заложения сква-. жины равен

(5)

1

об arctg д- ,

79679

где b

10

15

20

глубина зоны нетронутого массива пласта, м; а - глубина перемятой, разупрочненной зоны пласта1, 1 - минимальное расстояние от скважины до перемятой зоны угольного пласта. Расстояние 1 определяют из условия, что напряжения в породной пробке, обусловленные гидравлическим ударом, не должны превышать предела прочности пород, т.е.

CTu (6)

Напряжение в породной пробке можно определить по Лормуле:

Г (РЯ9+ Рст)т0/1, 7

где Р„. - давление волны гидравлического удара,

25

Р

vc.

(8)

0

5

где

-плотность нагнетаемой жидкости

-скорость нагнетания жидкости в статическом режиме;

-скорость волны гидравлического удара;

-радиус нагнетательной скважины;

-давление статического нагнетания жидкостиПодставляя (8) в (7), получим выражение для 1 в виде

ст

1Ь

.

а

(9)

F

С учетом выражения (9) оптимальный угол наклона скважин определяется выражением

+ Р

ст

3(10)

arctP|-G-- ;:-r(pvc

В случае подачи в забой скважины абразивных средств, например корундового порошка или песка, при ударных воздействиях потока жидкости на уголь значительно интенсифицируется диспергирование и разрушение массива.

С целью повышения эффективности применения предлагаемого способа, а также для снижения абразивного износа трубопроводов, средств герметизации и насосных устройств забой массива в скважине следует отделять от

1479674

10

15

трубопровода гибкой эластичной оболочкой, например, из резины, которая с минимальными потерями передает энергию потока жидкости при гидроуда ре на жидкость, находящуюся в забое скважины под давлением статического нагнетания. Оболочка-клапан предохраняет отток жидкости из забоя скважины. Оболочка должна иметь возможность пропускать жидкость в забой скважины в статическом режиме, для чего в ней должен быть предусмотрен клапан в виде велосипедного ниппеля. Кроме того, оболочка-клапан должна иметь запас свободного хода не меньше амплитуды полного перемещения потока жидкости в скважине при гидравлическом ударе.

Стационарная скорость и давление потока нагнетаемой жидкости находятся в зависимости от сечения трубопровода и расхода жидкости, т.е. от расчетных характеристик насосной установки (производительности насос- 25 ной установки и максимального давления жидкости). Для определения амплитуды волны гидравлического удара, необходимой для образования трещин в

1

1 i -}/ii о

1

IV

(11)

sD Рсг где R р-т-р ; 1СТ+ Fa3

G - Рст + Р ;

V

2Е&. (1-)2

Р и Р,

ст i

20

- статическое и гидроударное давления нагнетания жидкости; К - коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по соотношениям Грибфитса, Е - модуль упругости угля j

jr k - поверхностная эффективная энергия разрушения угля

V - коэффициент Пуассона , С и об - постоянные малоцйкловой усталости.

Используя зависимость (11), можно произвести численный расчет параметров гидравлического удара и времени

- -,„ гидрообработки, необходимых для разобрабатываемом горном массиве,исполь- 30

вития трещин в массиве заданных зуют механизм циклового усталостного

размеров, а затем перевести получен,,ные величины в параметры нагнетания

Известно, что при заданных паразрушения ,

жидкости, т.е. определить численные значения характеристик начальной скорости потока и давления нагнетания жидкости, необходимых для создания амплитуды волны гидравлического удара, действующей на массив и достаточной для образования трещин.

раметрах импульсов напряжений, создаваемых волнами гидравлических ударов, происходит развитие системы трещин, по которым движется газ и жидкость. Эти импульсы напряжений приводят к прорастанию трещин-каналов, в основном, в двух плоскостях. Основное рас- крытие существующих и образование новых трещин происходит в виде концентрических магистральных трещин вокруг скважины и радиальных микротре- цин. Они способствуют более равномер- ной и устойчивой во времени гидрообработке угольного массива. Развитие трещины зависит от количества циклов пульсаций (N), свойств горного массива и величин напряжений, создаваемых горным давлением и волной гидроудара (б). При удлинении трещин от

1 до 1 N равно

N

Г 11 I 2(1-К)(чП

i wr-Tr - Т7ЧГГ7Г J - -5713

1

1

IV

(11)

sD Рсг где R р-т-р ; 1СТ+ Fa3

G - Рст + Р ;

10

V

2Е&. (1-)2

5

5

Р и Р,

ст i

0

- статическое и гидроударное давления нагнетания жидкости; К - коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по соотношениям Грибфитса, Е - модуль упругости угля j

jr k - поверхностная эффективная энергия разрушения угля

V - коэффициент Пуассона , С и об - постоянные малоцйкловой усталости.

Используя зависимость (11), можно произвести численный расчет параметров гидравлического удара и времени

с о 5

жидкости, т.е. определить численные значения характеристик начальной скорости потока и давления нагнетания жидкости, необходимых для создания амплитуды волны гидравлического удара, действующей на массив и достаточной для образования трещин.

Таким образом, время генерирования гидроударных волн в массиве рав- но t N/(0 (гдеGO - частота следования гидроударов в столбе жидкости). I

0

Способ осуществляется следующим образом.

Из забоя очистной или подготовительной выработки через вмещающие породы в угольный пласт бурят скважину, которая внедряется в уголь в зоне нетронутого массива под углом к плоскости пласта, определяемым по формуле (10). В забой скважины подают абразивные вещества, например 5 песок. Скважину герметизируют, подключают к высоконапорной насосной установке и создают в столбе жидкости давление статического нагнетания. Перекрывают забой скважины

резиновой оболочкой с ниппелем. Затем с помощью специальной задвижки, которую устанавливают между насосной установкой и забоем, осуществляют периодическое полное перекрытие-открытие потока жидкости, нагнетаемой в скважину. Устанавливают частоту перекрытия потока жидкости, которая соответствует времени, кратному периоду отражения повторной волны гидравлического удара. Это время можно установить по формулам (1) и (2). Время полного перекрытия или открытия потока жидкости задвижкой должно быть меньше фазы гидравлического удара. При подаче в пласт через каждую скважину расчетного количества жидкости нагнетание прекращают, гидрозатворы извлекают из скважины и производят контроль за эффективностью применения способа, например, по динамике газовыделения или методом ядерно-магнитного резонанса.

Пример. Предлагаемый способ выполняют в пластовой подготовительной выработке по выбросоопасному угольному пласту. Угол падения пласта 60 , мощность пласта 0,6 м, газообильность 25 м3/т. Насосную установку для нагнетания жидкости устанавливают на расстоянии 60 м от забоя, задвижку для перекрытия потока нагнетаемой в пласт жидкости - в 15 м от насосной установки, тогда расстояние от задвижки до забоя выработки равно 45 м.

Из забоя выработки через вмещающие породы бурят скважину диаметром 45 мм. По данным натурных измерений, выполненных нормативным методом, глубина зоны нетронутого массива для выбро- соопасных пластов мощностью 0,5-0,3 м на глубине 800-900 м в среднем составляет 6-8 м. Поэтому скважину ориентируют таким образом, чтобы она внедрялась в уголь на расстоянии от забоя 7 м. Угол наклона скважины к плоскости пласта, определенный по формуле (10), составляет об 60 . Длина скважины до забоя при этом будет равна 8 м. Герметизируют скважину, например, с помощью гидрозатвора ГАС-45, на выходе которого устанавливают резиновую оболочку с ниппельным клапаном в сторону забоя скважины. В забой за резиновую оболочку клапана помещают 10-50 г песчинок.

Статическое нагнетание жидкости по скважине в пласт осуществляют при давлении 11,5 МПа. Время перекрытия (срабатывания) задвижки, определенное по Лормуле (4), не должно превышать

«-,« 2t о 5-1СГ4С

Частота перекрытия-открытия потока нагнетаемой в пласт жидкости должна быть кратна 10 с . Исходя из этого, частоту принимают равной 0,5 .

0

5

0

5

0

5

0

Формула изобретения

1.Способ гидравлического воздействия на массив, включающий бурение скважин, их герметизацию, нагнетание в скважины по трубопроводу с задвижкой жидкости и генерирование в столбе жидкости гидроударных волн, отличающийся тем, что, с целью повышения глубины и равномерности гидрообработки путем интенсификации процесса гидроударного роста глубоких магистральных трещин в массиве, трубопровод с задвижкой устанавливают соосно скважине, подают на забой абразивные вещества, а генерирование гидроударных волн осуществляют путем периодической полной остановки потока нагнетаемой жидкости задвижкой, при этом период перекрытия потока жидкости принимают кратным периоду образования повторной отраженной гидроударной волны, а продолжительность срабатывания задвижки - не превышающей Лазы гидравлического удара в столбе жидкости.

2.Способ поп.1,отлича щ и и с я тем, что производят регулирование амплитуды гидроударных волн путем изменения скорости потока и давления нагнетаемой жидкости и определяют время генерирования гидроударных волн из математического выражения

1 1 1 2(1-R)G-fiP

ifr 1 1 1

уВГъТЛ YBTTTrrJ

где (о - частота следования ударных волн в столбе жидкости,

R ЕИ-Г-ЕИ. .

Рсг + Т

а РСГ + Pyq 5

-статическое давление нагнетания жидкости в массив J

-амплитуда гидроударной волны;

-постоянные малоцикловой усталости угля;

-коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по соотношениям ГрифсЬитса

кс

2EJ.Ј (1-)г

ч - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости угля; Jj,- поверхностная (эффективная) энергия разрушения угля.

3. Способ по пп,1 и 2, о т л и- чающийся тем, что скважины для гидравлического воздействия бурят через вмещающие породы, при этом внедрение скважины в пласт i осуществляют в зоне нетронутого мае сива не далее средины зоны воздействия, при этом определяют оптимальный

to to to

-

угол наклона из выражения

скважины к оси пласта

)(PVC + Р«.

s

где ro -- радиус скважины для нагнетания жидкости; предел прочности вмещающих Ю пород;

О - плотность нагнетаемой

жидкости; v - скорость движения жидкости

в скважине в статическом 15режиме;

с - скорость распространения

волны гидроудара; РСТ - давление статического нагнетания жидкости; 20 b - глубина зоны нетронутого

угольного массива-, а - глубина зоны перемятого

разупрочненного угля. А. Способ по пп.1-3, о т л и -ч а- 25 ю щ и и с я тем, что забой скважины отделяют от трубопровода, подающего жидкость в пласт, гибкой эластичной оболочкой с запасом перемещения, не меньшим амплитуды гидроударных 30 волн, причем жидкость свободно пропускают через оболочку при статическом режиме нагнетания.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пластов в сложных горно-геологических условиях. Цель - повышение глубины и равномерности гидрообработки путем интенсификации процесса гидроударного роста глубоких магистральных трещин в массиве. Бурят скважины, герметизируют их и нагнетают в скважины по трубопроводу с задвижкой жидкость. Трубопровод с задвижкой устанавливают соосно скважине. Подают на забой абразивные вещества. Генерирование гидроударных волн осуществляют путем периодической полной остановки потока нагнетаемой жидкости задвижкой. Период перекрытия потока жидкости принимают кратным периоду образования повторной отраженной гидроударной волны. Продолжительность срабатывания задвижки не превышает фазы гидравлического удара в столбе жидкости. Бурение скважины в пласт осуществляют в зоне нетронутого массива, через вмещающие породы с заданным оптимальным углом наклона. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Редактор И.Рыбченко

фир.2

Составитель И.Федяева Техред А.Кравчук

Корректор С.Шекмар