Способ гидроразрыва пласта Советский патент 1992 года по МПК E21B43/26 

-Изобретение относится к области горного дела и нефтедобычи и может быть использовано для 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- яадает низким КПД передачи энергии в массив от гидроимпульсатора. Известен также способ гидроразрыва пласта, при котором определяют направления главных напряжений о породном массиве с созданием трещин, ориентированных в направлении действия минимального главного напряжения, путем нагнетания в скважину под давлением рабочей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействия на пласт.

Известный способ также трудоемок, нетехнологичен, не учитывает структурных особенностей пласта, не позволяет работать в выбранном диапазоне частот - резонансном режиме для пласта в режиме накопления упругой энергии при закачке ее в пласт при неизменных контактных условиях.

Цель изобретения - повышение эффективности способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу вибровоздействия осуществляют сначала путем приведения массива горных пород в колебательное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в течение времени,

Х|

Јь СЛ 4D

СО

,

необходимого для смены деформаций сжатия деформациями растяжения и одновре- : немного нагнетания в скважину разупрочняющих растворов, затем проводят колебательный процесс горного масси- . ва при частоте, равной частоте его i собственных колебаний в течение времени, : при котором напряжения в упругой оолне

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

-чего переходят на частоту воздействия, рав- . ную частоте собственных колебаний рэбо- . чей жидкости.

Амплитуду давления в упругой волне ; определяют из выражения

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

-а появляющееся при этом знакопеременное :давлсяие в упругой волне определяют из

.-выражения .: 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 давления в источнике.

:дм3;

--- .- - глубина размещения 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- время, с:

путь, проходимый волной, м. вибровоздействиях на пласт осу- ьществляют регистрацию сейсмоакустиче- ЕСКИХколебаний.

с -е:В-качестве разупрочняющих растворов .иисаопьзуют смесь 1 %-ного раствора карба- иида м2%-ного раствора сульфосалицило- нвой:-тсислоты или горячие растворы с гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с s метанолом или низкотемпературные хладо- г,агевты с термодинамическим воздействи- пем Предел прочности отрыва горных пород еяод действием приложенных нагрузок определяют из выражения т, C.-NCM -(Кп/л)(3)

причем критерий распространения трещин т горком массиве выбирают из выражения

.s- : No (М/Д(4)

с дегКб - модуль сцепления горных пород. г;г: Радиус разгрузки горного давления г.вследствие пластической деформации для нУгфугоплзстических и пористых пород вы- - бирают из выражения 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 залегания пласта, м;

Кп - предел текучести при сдвиге.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и главные векторы а и QI в породном массиве, где нужно осуществить гидроразрыв.

На удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, бурят в горном массиве 1 скважины ф 300-500 мм и глубиной 5-12 м, размещают в них невзрывные пневматические источники 4. причем направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в породном массиве, т.е. оси источников ориентируют в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения. Максимальный диаметр скважины и ее глубину выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний в горном массиве на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело горной выработки; составляющая 3-9% всей энергии, поступающей в источник от компрессора высокого давления (от 60 до 300 атм). Глубина скважины оптимальна величине давления, оказываемого столбом уп- руговяэкого материала, которым заполняют скважины после размещения в ней источника. В качестве упруговязкого 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 составляет для диапазона 60-1500 Гц от 5 до 12 м. Скважины бурят на удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, причем исходя из условий волнового подобия 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 составляет в среднем 50-150 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях от источника поле упругих напряжений, генерируемое им, распределено равномерно, в то время как на удалениях, равных или меньших длины волны, оно неравномерно.

Время вибровоздействия - время синхронной работы группы источников, регули/руемое посредством электронного пульта управления зависит от обводненности горного массива и геомеханических условий его залегания.

Перед проведением гидроразрыва в скважину нагнетают разупрочняющие растворы в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60-1500 Гц, приводят локальный участок горного массива в возбужденное состояние, причем вибровоз- действия осуществляют в течение времени, при котором произойдет смена деформаций сжатия деформациями растяжения, что соответствует достижению оптимальной проницаемости пород в массиве, после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, и осуществляют их в течение времени, при котором напряжения в упругой знакопеременной волне не достигнут значений, равных не менее геостатического давления от веса вышележащих пород, после чего переходят на частоту вибровоздей- .ствия, равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости, нагнетаемой гидроимпульсатором, т.е. гидроразрыв осуществляют в резонансном режиме и вибровоздействия осуществляют 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 находятся в пределах от 2 до 50 м), сопоставимы с длинами волн, что является одним из условий волнового подобия (взаимодействия волны с неоднородностью). Если длина волны соизмерима с размерами неоднородности или меньше ее, то взаимодействие упругой волны позволяет раскачать локальный участок горного массива и привести в возбужденное состояние для повышения гидро- и аэродинамических свойств пород и повышения проницаемости пород в массиве.

Для того, чтобы облегчить эту работу приведения локального участка горного массива в возбужденное состояние, нагнетают в совокупности с вибровоздействиями в пласт разупрочняющие растворы, содержащие ПАВ, причем ПАВ выполняют работу сил расширения, и делают поры и трещины пород сообщающимися, т.е. увеличивают проницаемость горного массива и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения, достигают оптимальной проницаемости горного массива, например, для скальных пород проницаемость. при обычных условиях равная 0.02 МДарси,

возрастает при вибропоздействиях от 4,6 до 7,8 МДарси, Затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, и осу5 ществляют вибровоздействия в течение времени, при котором напряжения в упругой знакопеременной волне не достигнут геостатического от веса вышележащих пород, после чего вибровоздействия прекра10 щают. переходят на частоту нагнетаний рабочей жидкости в скважину и вибровоздействия осуществляют в резонансном режиме до тех пор. пока не произойдет гидроразрыв и не появится магистральная

15 трещина.

Для избежания динамических проявлений, горного давления до. во время и после вибровоздействия осуществляют контроль .за напряженно-деформированным состоя0 нием пород в массиве в совокупности с контролемтрещинотрывасейсмоакустическими методами исследований или с помощью электрокаротажа.

Для разупрочнения горных пород во

5 время гидроразрыва в совокупности с вибровоздействиями в зависимости от типа пород используют смесь 1%-ного раствора карбамида и 2%-ного раствора сульфосали- циловой кислоты или горячие растворы гйд0 роокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом или низкотемпературных хладо- агентов с термодинамическим воздействием, причем, предел прочности отрыва пород под действием приложенных нагрузок опре5 деляют из выражения МСм -(Кп/л), взяв за критерий распространения трещин в горном массиве соотношение N ((Кп)/ л} где Кп - модуль сцепления горных пород.

Для упругопластических и пористых по0 род пластическая деформация.приводит к уменьшению местных напряжений, л радиус разгрузки горного давления выбирают из 4 соотношения

5 гго.б,),

где рв удельный вес вышележащих пород; - , -

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

При уменьшении глубины залегания пласта и увеличении Кп, как видно из форму- лы. область разгрузки резко уменьшается, и наоборот. Для глубин 200-400 м радиус зо- 5 ны разгрузки невелик и практически имеет один и тот же порядок с радиусом скважины, следовательно, пластическая деформация в этом случае несущественна. Сущность изобретения состоит в том, что под воздействи ./

/

ем мощных вибрационных нагрузок в горных породах имеет место миграция флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах Это приводит к изменению порового давления и. как следствие, к 5 изменению прочностных свойств горных пород, окружающих эти поры и трещины, т.е. к перераспределению поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов. Это явление назвали упругим миграцитным 10 геоэффектом. Он имеет место в любых диапазонах частот - от герц до мегагерц. Под воздействием упругих волн миграция флюидов происходит в сотни и тысячи раз быстрее, чем в отсутствие упругих волн.15

Размещение источников по предлагаемому способу позволяет;

создать оптимальные условия для возбуждения упругих волн в выбранном диапа- зоне частот;20

управлять состоянием 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 порядок площадь 30 гидроразрыва.

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

Для приведения горного массива в возбужденное состояние используют четыре 35 источника Пилон-1 с параметрами: давление в источнике 100 кг/см2; объем камеры давления в источнике 10 дм3; глубина размещения источника 10м.

По формуле (1) определяют амплитуду 40 давления в волне АНпи 6.110 кг/см2 и для 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, воздействия 45 таким давлением на горный массив, нагнетают в породы разупрочняющие растворы. При смене деформаций сжатия деформациями растяжение переходят для скальных пород на частоту вибровоздействия 200-400 50 м Гц и воздействуют ею в течение времени, при котором давление в волне не достигнет геостатического, после чего вибровоздействия осуществляют на частоте нагнетания рд- бочей жидкости в скважину, Прочность 55 пород за счет нагнетания ПАВ и виброобрл- ботки снижается на 20-40% по сравнению со случаем, когда виброобработка не осуществляется, и площадь гидроразрыва увеличиро

по ег ми во ра сн

то пр по ро ма на че ви с я 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

чивается от 1.7 до 3.9 раз для скальных пород.

Использование изобретения позволит повысить эффективность способа, улучшить его параметры по сравнению с классическими способами без использования вибровоздействий, что значительно сокращает расходы электроэнергии и материалов и снижает время проведения эксперимента.

Формула изобретения

1.Способ гидроразрывз пласта, при ко- тором определяют направления главных напряжений в породном массиве с последующим созданием трещин, ориентированных в направлении действия минимального главного напряжения путем нагнетания в скважину под давлением рабо- чей жидкости в пульсирующем режиме и вибровоздействия на пласт, отличэющий- с я тем, что, с целью повышения эффективности способа, вибровоздействие осуществляют сначала путем приведения массива горных пород в колебательное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в течение времени, необходимого для смены деформаций сжатия деформациями растяжения и одновременного нагнетания в скважину разупрочняю- щих растворов, затем проводят колебательный процесс горного массива при частоте, равной частоте его собственных колебаний в течение времени, при котором напряжения в упругой волне достигнут значений не менее геостатического давления от массы вышележащих пород, после чего переходят на частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний рабочей жидкости.

2.Способ по п. Отличающийся тем, что амплитуду давления в упругой волне определяют из выражения

A NH™ N 0,015 (PMV)1/3/R, а появляющееся при этом знакопеременное давление в упругой волне определяют из выражения

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

PU - давление в источнике, кг/см ;

V-объем камеры давления в источнике.

м

R - глубина размещения источника в скважине, м;

Ро - геостатическое давление, кг/см :

А1 Мили - амплитуда давления в первой полуволне;

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

о) -частота колебаний, 1/с:

t - время, с;

Х-путь, проходимый упругой волной, м.

3.Способ по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что при Егибровоздейгтеиях на пласт осуществляют регистрацию сейсмоакусти- ческих колебаний.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве разупрочняющих растворов используют смесь 1%-ного раствора карбамида и 2%-ного раствора сульфосали- циловой кислоты, или горячие растворы гидроокиси натрия и гидроокиси натрия с метанолом, или низкотемпературные хладо- агенты с термодинамическим воздействием.

5.Способ по п. 1,отличающийся тем. что предел прочности отрыва горных пород под действием приложенных нагрузок определяют из выражения

NCM (Кп/л).

0

причем критерий распространения трещин в горном массиве выбирают из выражения

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

6. Способ по п. 1,отличающийся тем, что радиус области разгрузки горного давления вследствие пластической деформации для упругопластических и пористых пород выбирают из выражения

(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 залегания пласта, м; Кп - предел текучести при сдвиге.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при интенсификации горно- и геотехнологических процессов., в частности при подземном выщелачивании. Цель изобретения - повышение эффективности способа. Сущность: на удалении от скважины, предназначенной для гидроразрыва в 3-5 длины волны, бурят скважины, определяют векторы максимального и минимального главных напряжений, размещают в них невзрывные пневматические источники, ориентируют их оси в направлении действия минимального главного напряжения, заполняют скважины упруговязким телом, возбуждают в массиве горных пород колебания в диапазоне от 60 до 1500 Гц, вначале приводят массив в неу- дароопасное состояние закачкой в него раз- упрочняющих растворов, а затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива, приводят массив вудароопасное состояние, переходят на частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний жидкости в скважине, и нагнетают в скважины рабочие жидкости с расклинивающими агентами, что позволяет значительно повысить эффективность гидрорззрыва, уменьшить усилие разрывных пород, увеличить площадь раз- рыва пород по сравнению с имеющимися классическими способами гидроразрыва, 5 з.п. ф-лы.